Acest articol conține o descriere a unui lucru precum difracția cu raze X. Bazele fizice ale acestui fenomen și aplicațiile sale sunt explicate aici.
Tehnologii pentru crearea de noi materiale
Inovația, nanotehnologia este tendința lumii moderne. Știrile sunt pline de relatări despre noi materiale revoluționare. Dar puțini oameni se gândesc la ce aparat de cercetare uriaș au nevoie oamenii de știință pentru a crea măcar o mică îmbunătățire a tehnologiilor existente. Unul dintre fenomenele fundamentale care îi ajută pe oameni să facă acest lucru este difracția de raze X.
Radiția electromagnetică
Mai întâi trebuie să explicați ce este radiația electromagnetică. Orice corp încărcat în mișcare generează un câmp electromagnetic în jurul său. Aceste câmpuri împrăștie totul în jur, chiar și vidul din spațiul adânc nu este liber de ele. Dacă într-un astfel de câmp există perturbații periodice care se pot propaga în spațiu, ele se numesc radiații electromagnetice. Pentru a-l descrie, sunt folosite concepte precum lungimea de undă, frecvența și energia sa. Ceea ce este energia este intuitiv, iar lungimea de undă este distanța dintre elefaze identice (de exemplu, între două maxime adiacente). Cu cât este mai mare lungimea de undă (și, în consecință, frecvența), cu atât energia este mai mică. Amintiți-vă că aceste concepte sunt necesare pentru a descrie ce este difracția de raze X în mod concis și succint.
Spectru electromagnetic
Toată varietatea de raze electromagnetice se potrivește pe o scară specială. În funcție de lungimea de undă, ele disting (de la cea mai lungă la cea mai scurtă):
- unde radio;
- unde terahertzi;
- unde infraroșii;
- valuri vizibile;
- valuri ultraviolete;
- unde de raze X;
- radiații gamma.
Astfel, radiația care ne interesează are o lungime de undă foarte scurtă și cele mai mari energii (de aceea se numește uneori dure). Prin urmare, ne apropiem de a descrie ce este difracția cu raze X.
Originea razelor X
Cu cât energia radiației este mai mare, cu atât este mai dificil să o obții artificial. După ce a făcut un incendiu, o persoană primește o mulțime de radiații infraroșii, deoarece aceasta este cea care transferă căldura. Dar pentru ca difracția razelor X de către structurile spațiale să aibă loc, trebuie depus mult efort. Deci, acest tip de radiație electromagnetică este eliberată atunci când un electron este scos din învelișul unui atom, care este aproape de nucleu. Electronii situati deasupra tind sa umple gaura rezultata, tranzitiile lor si sa dea fotoni cu raze X. De asemenea, în timpul decelerarii bruște a particulelor încărcate cu masă (de exemplu,electroni), sunt produse aceste fascicule de în altă energie. Astfel, difracția razelor X pe o rețea cristalină este însoțită de cheltuirea unei cantități destul de mari de energie.
La scară industrială, această radiație se obține după cum urmează:
- Catodul emite un electron de în altă energie.
- Electronul se ciocnește de materialul anodului.
- Electronul decelerează brusc (în timp ce emite raze X).
- În alt caz, particula în decelerare scoate un electron din orbita joasă a atomului din materialul anodului, care generează, de asemenea, raze X.
De asemenea, este necesar să înțelegem că, la fel ca orice altă radiație electromagnetică, razele X au propriul spectru. Această radiație în sine este folosită destul de larg. Toată lumea știe că un os rupt sau o masă în plămâni se caută cu ajutorul radiografiilor.
Structura unei substanțe cristaline
Acum ne apropiem de metoda de difracție cu raze X. Pentru a face acest lucru, este necesar să explicați modul în care este aranjat un corp solid. În știință, un corp solid se numește orice substanță în stare cristalină. Lemnul, argila sau sticla sunt solide, dar le lipsește principalul lucru: o structură periodică. Dar cristalele au această proprietate uimitoare. Însuși numele acestui fenomen conține esența lui. Mai întâi trebuie să înțelegeți că atomii din cristal sunt fixați rigid. Legăturile dintre ele au un anumit grad de elasticitate, dar sunt prea puternice pentru ca atomii să se miște în interior.grătare. Astfel de episoade sunt posibile, dar cu o influență externă foarte puternică. De exemplu, dacă un cristal metalic este îndoit, în el se formează defecte punctiforme de diferite tipuri: în unele locuri, atomul își părăsește locul, formând un loc liber, în altele, se deplasează în poziții greșite, formând un defect interstițial. La locul îndoirii, cristalul își pierde structura cristalină subțire, devine foarte defectuos, liber. Prin urmare, este mai bine să nu folosiți o agrafă care a fost neîndoită o dată, deoarece metalul și-a pierdut proprietățile.
Dacă atomii sunt fixați rigid, ei nu mai pot fi aranjați aleatoriu unul față de celăl alt, ca în lichide. Ei trebuie să se organizeze astfel încât să minimizeze energia interacțiunii lor. Astfel, atomii se aliniază într-o rețea. În fiecare rețea există un set minim de atomi dispuși într-un mod special în spațiu - aceasta este celula elementară a cristalului. Dacă îl difuzăm în întregime, adică combinăm marginile între ele, deplasându-ne în orice direcție, vom obține întregul cristal. Cu toate acestea, merită să ne amintim că acesta este un model. Orice cristal real are defecte și este aproape imposibil să se realizeze o traducere absolut exactă. Celulele moderne de memorie din siliciu sunt aproape de cristalele ideale. Cu toate acestea, obținerea lor necesită cantități incredibile de energie și alte resurse. În laborator, oamenii de știință obțin structuri perfecte de diferite tipuri, dar, de regulă, costurile creării lor sunt prea mari. Dar vom presupune că toate cristalele sunt ideale: în oricaredirecție, aceiași atomi vor fi situați la aceleași distanțe unul față de celăl alt. Această structură se numește rețea cristalină.
Studiul structurii cristaline
Datorită acestui fapt este posibilă difracția de raze X pe cristale. Structura periodică a cristalelor creează anumite planuri în ele, în care sunt mai mulți atomi decât în alte direcții. Uneori, aceste planuri sunt stabilite de simetria rețelei cristaline, alteori de aranjarea reciprocă a atomilor. Fiecărui avion i se atribuie propria sa denumire. Distanțele dintre avioane sunt foarte mici: de ordinul mai multor angstromi (reamintim, un angstrom este de 10-10 metru sau 0,1 nanometri).
Cu toate acestea, există multe planuri de aceeași direcție în orice cristal real, chiar și unul foarte mic. Difracția cu raze X ca metodă exploatează acest fapt: toate undele care și-au schimbat direcția pe planuri de aceeași direcție sunt însumate, dând un semnal destul de clar la ieșire. Deci, oamenii de știință pot înțelege în ce direcții sunt situate aceste planuri în interiorul cristalului și pot judeca structura internă a structurii cristaline. Cu toate acestea, aceste date singure nu sunt suficiente. Pe lângă unghiul de înclinare, trebuie să știți și distanța dintre avioane. Fără aceasta, puteți obține mii de modele diferite ale structurii, dar nu știți răspunsul exact. Cum învață oamenii de știință despre distanța dintre avioane va fi discutat mai jos.
Fenomen de difracție
Am dat deja o justificare fizică a ceea ce este difracția de raze X pe rețeaua spațială a cristalelor. Cu toate acestea, nu am explicat încă esențafenomene de difracție. Deci, difracția este rotunjirea obstacolelor de către unde (inclusiv cele electromagnetice). Acest fenomen pare a fi o încălcare a legii opticii liniare, dar nu este. Este strâns legat de interferența și proprietățile undei, de exemplu, ale fotonilor. Dacă există un obstacol în calea luminii, atunci din cauza difracției, fotonii pot „privi” după colț. Cât de departe se deplasează direcția luminii de la o linie dreaptă depinde de dimensiunea obstacolului. Cu cât obstacolul este mai mic, cu atât lungimea undei electromagnetice ar trebui să fie mai mică. De aceea, difracția de raze X pe cristale simple se realizează folosind astfel de unde scurte: distanța dintre avioane este foarte mică, fotonii optici pur și simplu nu se vor „târâ” între ele, ci vor fi doar reflectați de la suprafață.
Un astfel de concept este adevărat, dar în știința modernă este considerat prea îngust. Pentru extinderea definiției sale, precum și pentru erudiția generală, prezentăm metode de manifestare a difracției de undă.
- Schimbarea structurii spațiale a undelor. De exemplu, extinderea unghiului de propagare al unui fascicul de undă, deviația unei unde sau a unei serii de unde într-o direcție preferată. Această clasă de fenomene îi aparține curbarea undelor în jurul obstacolelor.
- Descompunerea undelor într-un spectru.
- Schimbarea polarizării undelor.
- Transformarea structurii de fază a undelor.
Fenomenul de difracție, împreună cu interferența, este responsabil pentru faptul că, atunci când un fascicul de lumină este îndreptat către o fantă îngustă din spatele lui, vedem nu una, ci mai multemaxime de lumină. Cu cât maximul este mai departe de mijlocul slotului, cu atât este mai mare ordinea acestuia. În plus, cu setarea corectă a experimentului, umbra de la un ac obișnuit de cusut (desigur, subțire) este împărțită în mai multe dungi, iar lumina maximă este observată exact în spatele acului, și nu minim.
Formula Wulf-Bragg
Am spus deja mai sus că semnalul final este suma tuturor fotonilor de raze X care sunt reflectați din planuri cu aceeași înclinație în interiorul cristalului. Dar o relație importantă vă permite să calculați cu precizie structura. Fără el, difracția cu raze X ar fi inutilă. Formula Wulf-Bragg arată astfel: 2dsinƟ=nλ. Aici d este distanța dintre planele cu același unghi de înclinare, θ este unghiul de privire (unghiul Bragg) sau unghiul de incidență pe plan, n este ordinul maximului de difracție, λ este lungimea de undă. Deoarece se știe dinainte ce spectru de raze X este folosit pentru a obține date și în ce unghi se încadrează această radiație, această formulă ne permite să calculăm valoarea lui d. Am spus deja puțin mai sus că fără această informație este imposibil să se obțină cu exactitate structura unei substanțe.
Aplicarea modernă a difracției de raze X
Se pune întrebarea: în ce cazuri este nevoie de această analiză, oamenii de știință nu au explorat deja totul în lumea structurii și oare oamenii, atunci când obțin substanțe fundamental noi, nu presupun ce fel de rezultat îi așteaptă? ? Există patru răspunsuri.
- Da, am ajuns să ne cunoaștem destul de bine planeta. Dar în fiecare an se găsesc noi minerale. Uneori structura lor este uniformăghiciți că fără raze X nu va funcționa.
- Mulți oameni de știință încearcă să îmbunătățească proprietățile materialelor deja existente. Aceste substanțe sunt supuse diferitelor tipuri de prelucrare (presiune, temperatură, lasere etc.). Uneori elemente sunt adăugate sau îndepărtate din structura lor. Difracția cu raze X pe cristale va ajuta să înțelegem ce rearanjamente interne au avut loc în acest caz.
- Pentru unele aplicații (de exemplu, medii active, lasere, carduri de memorie, elemente optice ale sistemelor de supraveghere), cristalele trebuie să fie potrivite foarte precis. Prin urmare, structura lor este verificată folosind această metodă.
- Difracția cu raze X este singura modalitate de a afla câte și care faze au fost obținute în timpul sintezei în sistemele multicomponente. Elementele ceramice ale tehnologiei moderne pot servi ca exemplu de astfel de sisteme. Prezența fazelor nedorite poate duce la consecințe grave.
Explorarea spațiului
Mulți oameni se întreabă: „De ce avem nevoie de observatoare uriașe pe orbita Pământului, de ce avem nevoie de un rover dacă omenirea nu a rezolvat încă problemele sărăciei și războiului?”
Fiecare are propriile motive pentru și contra, dar este clar că omenirea trebuie să aibă un vis.
Prin urmare, privind stelele, astăzi putem spune cu încredere: știm din ce în ce mai multe despre ele în fiecare zi.
Razele X de la procesele care au loc în spațiu nu ajung la suprafața planetei noastre, ele sunt absorbite de atmosferă. Dar această parteSpectrul electromagnetic poartă o mulțime de date despre fenomenele de în altă energie. Prin urmare, instrumentele care studiază razele X trebuie scoase din Pământ, pe orbită. Stațiile existente în prezent studiază următoarele obiecte:
- rămășițe de explozii de supernova;
- centre de galaxii;
- stele neutronice;
- găuri negre;
- coliziuni de obiecte masive (galaxii, grupuri de galaxii).
În mod surprinzător, conform diverselor proiecte, accesul la aceste stații este asigurat elevilor și chiar școlarilor. Ei studiază razele X care provin din spațiul profund: difracția, interferența, spectrul devin subiectul de interes. Și unii utilizatori foarte tineri ai acestor observatoare spațiale fac descoperiri. Un cititor meticulos poate, desigur, să obiecteze că are doar timp să se uite la imagini de în altă rezoluție și să observe detalii subtile. Și, desigur, importanța descoperirilor, de regulă, este înțeleasă doar de astronomii serioși. Dar astfel de cazuri îi inspiră pe tineri să-și dedice viața explorării spațiului. Și acest obiectiv merită urmărit.
Astfel, realizările lui Wilhelm Conrad Roentgen au permis accesul la cunoștințele stelare și la capacitatea de a cuceri alte planete.
