Ce este difracția cu raze X?

Acest articol descrie un concept, cum ar fi difracția cu raze X. Aceasta explică baza fizică a acestui fenomen și aplicarea acestuia.

Tehnologii pentru crearea de noi materiale

Inovația, nanotehnologia este tendința lumii moderne. Vestea este plină de rapoarte despre noi materiale revoluționare. Dar puțini oameni se întreabă ce este nevoie de un uriaș aparat de cercetare de către oamenii de știință pentru a crea cel puțin o mică îmbunătățire a tehnologiilor existente. Unul dintre fenomenele fundamentale care îi ajută pe oameni este difracția cu raze X.

Radiație electromagnetică

În primul rând, trebuie să explicați ce este radiația electromagnetică. Orice corp încărcat în mișcare generează un câmp electromagnetic în jurul său. Aceste câmpuri pătrund în jurul valorii de tot, chiar și vidul spațiului adânc nu este liber de ele. Dacă apar perturbații periodice într-un astfel de câmp, care se poate propaga în spațiu, ele se numesc radiații electromagnetice. Pentru descrierea sa, se aplică astfel de concepte precum lungimea de undă, frecvența și energia sa. Ceea ce este energia este înțeleasă intuitiv, iar lungimea de undă este distanța dintre fazele identice (de exemplu, între două maxime învecinate). Cu cât lungimea de undă este mai mare (și, în consecință, frecvența), cu atât energia este mai mică. Reamintim, aceste concepte sunt necesare pentru a descrie ce difracție de raze X este scurtă și capabilă.

Spectru electromagnetic

Toată diversitatea fasciculelor electromagnetice se potrivește la o scară specială. În funcție de lungimea de undă, distingeți (de la cea mai lungă la cea mai scurtă):

• undele radio;
• undele terahertz;
• undele infraroșii;
• undele vizibile;
• undele ultraviolete;
• Undele de raze X;
• gamma radiații.

Astfel, radiațiile de interes pentru noi au o lungime de undă foarte scurtă și cele mai înalte energii (de aceea uneori se numește greu). În consecință, ne apropiem de o descriere a difracției cu raze X.

Originea raze X

Cu cât este mai mare energia radiației, cu atât mai dificilă este obținerea artificială. Având divorțat un incendiu, o persoană primește o mulțime de radiații IR, deoarece transferă căldură. Dar, pentru ca difracția cu raze X asupra structurilor spațiale să aibă loc, este nevoie de o mulțime de lucruri. Deci, acest tip de radiație electromagnetică este eliberată dacă scoateți electronul din coaja atomului, care este aproape de nucleu. Electronii localizați mai sus tind să umple gaura formată, tranzițiile lor și să dea fotoni cu raze X. De asemenea, cu inhibarea puternică a particulelor încărcate care au o masă (de exemplu, electroni), aceste raze de energie ridicată sunt produse. Astfel, difracția razelor X pe o latură de cristal este însoțită de o cheltuială suficient de mare de energie.

La scară industrială, această radiație se obține după cum urmează:

1. Catodul emite un electron cu energie mare.
2. Electronul se ciocnește cu materialul anodic.
3. Electronul inhibă brusc (în același timp emite raze X).
4. În celălalt caz, particula retardantă lovește un electron din orbita joasă a atomului din materialul anodic, care generează și o raze X.

De asemenea, trebuie să se înțeleagă că, ca orice altă radiație electromagnetică, radiografia are propriul spectru. Această radiație în sine este utilizată pe scară largă. Toată lumea știe că un os spărt sau formarea în plămâni este căutată tocmai cu ajutorul razelor X.

Structura substanței cristaline

Acum ajungem foarte aproape de metoda de difracție cu raze X. Pentru a face acest lucru, explicați modul în care este aranjat un corp solid. În știință, un corp solid este numit orice substanță în stare cristalină. Lemnul, lutul sau sticla sunt solide, dar le lipsește principala: o structură periodică. Dar cristalele au această proprietate uimitoare. Numai numele acestui fenomen conține esența sa. Pentru început, trebuie să înțelegem că atomii din cristal sunt fixați rigid. Contactul dintre ele au un anumit grad de elasticitate, dar ele sunt prea puternice, astfel încât atomii se pot deplasa în interiorul zăbrele. Astfel de episoade sunt posibile, dar cu un efect extern foarte puternic. De exemplu, dacă cristalul de metal să se îndoaie, sunt formate în defecte punctiforme de diferite tipuri: în unele locuri atom părăsește scaunul său, poziția de formare, în altele - este mutat în poziția greșită, formând o introducere defect. În cristalul ori își pierde structura de cristal subțire, este foarte defect, în vrac. Prin urmare, clipul, care odată neîndoită, este mai bine să nu utilizeze, ca metal pierdut proprietățile lor.

Dacă atomii sunt fixați rigid, nu mai pot fi poziționați unul față de celălalt haotic, ca în lichide. Ele trebuie organizate astfel încât să minimizeze energia interacțiunii lor. Astfel, atomii sunt aliniați într-o latură. În fiecare rețea există un set minim de atomi, localizat mai ales în spațiu, fiind o celulă elementară a cristalului. Dacă este difuzat complet, adică să combinăm marginile unul cu celălalt, să ne mișcăm în orice direcție, să obținem 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 transmisie absolută. Elementele de memorie siliconice moderne sunt aproape de cristale perfecte. Cu toate acestea, obținerea acestora necesită cantități incredibile de energie și alte resurse. În laborator, oamenii de știință primesc structuri perfecte de diferite tipuri, dar, de regulă, costurile creării lor sunt prea mari. Dar vom presupune că toate cristalele sunt ideale: în orice direcție, aceiași atomi vor fi localizați la aceleași distanțe unele de altele. O astfel de structură se numește o latură de cristal.

Investigarea structurii cristalului

Datorită acestui fapt este posibilă difracția cu raze X pe cristale. Structura periodică a cristalelor creează în ele unele planuri în care există mai mulți atomi decât în ​​alte direcții. Uneori, aceste avioane sunt date de simetria zăpezii cristaline, uneori de aranjamentul reciproc al atomilor. Fiecărui plan i se atribuie propria sa desemnare. Distanțele dintre planuri sunt foarte mici: la ordinul câtorva angstromi (rechemare, un angstrom este de 10^-10 metru sau 0,1 nanometri).

Cu toate acestea, avioane cu o singură direcție în orice cristal real, chiar foarte mic, sunt multe. Difracția cu raze X, ca metodă, folosește acest fapt: toate valurile care au schimbat direcția pe planuri din aceeași direcție sunt însumate, dând un semnal suficient de clar la ieșire. Deci, oamenii de stiinta pot intelege in ce directii se gasesc in interiorul cristalului aceste avioane si judeca structura interna a structurii cristalului. Cu toate acestea, numai aceste date nu sunt suficiente. În plus față de unghiul de înclinare, este necesar să se cunoască distanța dintre planuri. Fără aceasta, puteți obține mii de modele diferite ale structurii, dar nu știți răspunsul exact. Despre modul în care oamenii de știință învață despre distanța dintre avioane, va merge puțin mai jos.

Fenomenul de difracție

Am dat deja o justificare fizică pentru ceea ce este difracția razelor X pe grâul cristalelor. Cu toate acestea, nu am explicat încă esența fenomenului de difracție. Deci, difracția este înfășurarea de valuri (inclusiv cele electromagnetice) de obstacole. Acest fenomen pare să încalce legea optică liniară, dar nu este așa. Este strâns legată de interferențe și proprietăți de undă, de exemplu fotoni. Dacă în calea luminii există un obstacol, atunci datorită fotonilor de difracție poate să "privească" după colț. Cât de departe direcția propagării luminii de la deviațiile rectilinie depinde de mărimea obstacolului. Cu cât obstacolul este mai mic, cu atât este mai mică lungimea undei electromagnetice. Acesta este motivul pentru care difracție cu raze X pe cristale unice, prin utilizarea unor astfel de lungimi de undă scurte: distanța dintre avioane este fotoni foarte mici, optice nu sunt pur și simplu „trece prin“ între ele, și reflectate numai de la suprafață.

Un astfel de concept este adevărat, însă în știința modernă este considerat prea îngust. Pentru a extinde definiția sa, precum și pentru erudiția generală, oferim modalități de manifestare a difracției valurilor.

1. Schimbarea structurii spațiale a undelor. De exemplu, extinderea unghiului de propagare a unui fascicul de undă, deformarea unui val sau a unui număr de valuri într-o anumită direcție selectată. În această clasă a fenomenului este vorba despre ruperea undelor de obstacole.
2. Degradarea valurilor în spectru.
3. Schimbarea polarizării valurilor.
4. Transformarea structurii de fază a undelor.

Fenomenul de difracție, împreună cu interferența responsabilă pentru faptul că direcția fasciculului de lumină la un spațiu îngust în spatele ei vom vedea nu unul, ci mai multe maximele de lumină. Cu cât este mai mare din mijlocul fantei, cu atât este mai mare ordinea. De asemenea, atunci când corect umbra formulare experiment de ac de cusut convențional (natural subțire) este împărțit în mai multe benzi, în care acul observat exact lumină maximă, nu minimă.

Formula Wolf-Bragg

Am spus deja mai sus că semnalul final este compus din toți fotonii cu raze X, care sunt reflectați din planurile cu aceeași pantă din interiorul cristalului. Dar pentru a calcula structura cu precizie permite o relație importantă. Fără ea, difracția cu raze X ar fi inutilă. Formula Wolf-Bragg arata astfel: 2dsinþ = nlambda-. Aici d este distanța dintre planurile cu același unghi de înclinare, theta este unghiul de alunecare (unghiul Bragg) sau unghiul de incidență pe plan, n este ordinea maximului de difracție, lambda - este lungimea de undă. Din moment ce se cunoaște exact modul în care spectrul de raze X utilizate pentru achiziția de date și unghiul la care lumina cade este, această formulă vă permite să calculeze valoarea d. Puțin mai sus am spus deja că, fără această informație, este imposibilă obținerea exactă a structurii substanței.

Aplicarea modernă a difracției cu raze X

Se pune întrebarea: în ce cazuri au nevoie de această analiză, oamenii de știință nu au fost într-adevăr explorat toată structura mondială, și, probabil, în principal în producția de substanțe noi nu implică oameni, ce fel de rezultatele pe care le vor? Există patru răspunsuri.

1. Da, am învățat planeta noastră destul de bine. Dar în fiecare an găsesc minerale noi. Uneori, structura lor poate fi presupusă chiar și fără ca razele X să nu funcționeze.
2. Mulți oameni de știință încearcă să îmbunătățească proprietățile materialelor existente. Aceste substanțe sunt supuse diferitelor tipuri de procesare (presiune, temperatură, lasere, etc.). Uneori elementele sunt adăugate sau eliminate din structura lor. Pentru a înțelege ce rearanjări interne au avut loc în acest caz, difracția razelor X pe cristale va ajuta.
3. Pentru unele aplicații (de exemplu, pentru mediile active de lasere, cartele de memorie, elementele optice ale sistemelor de supraveghere), cristalele trebuie să îndeplinească cerințele foarte precis. Prin urmare, structura lor este verificată utilizând această metodă.
4. Difracția cu raze X este singura modalitate de a afla câte și care faze au fost produse prin sinteză în sisteme multicomponente. Elementele ceramice ale tehnologiei moderne pot servi drept exemplu de astfel de sisteme. Prezența fazelor nedorite poate duce la consecințe grave.

Cercetarea spațială

Mulți oameni 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 al războiului?"

Toată lumea va avea propriile pro și contra, dar este evident că omenirea ar trebui să aibă un vis.

Prin urmare, uitându-ne la stele, astăzi putem spune cu încredere: știm mai multe despre ele în fiecare zi.

Razele X din procesele care apar în spațiu nu ajung la suprafața planetei noastre, sunt absorbite de atmosferă. Dar această parte a spectrului electromagnetic poartă multe date despre fenomene cu energii ridicate. Prin urmare, instrumentele care studiază razele X trebuie scoase din Pământ în orbită. Stările existente în prezent studiază următoarele obiecte:

• rămășițe ale exploziilor supernovate;
• centrele galaxiilor;
• stelele neutronice;
• gauri negre;
• Coliziuni ale obiectelor masive (galaxii, grupuri de galaxii).

În mod surprinzător, pentru diferite proiecte, accesul la aceste stații este oferit elevilor și chiar elevilor. Ele studiază razele X din spațiul adânc: difracția, interferența, spectrul devin subiectul interesului lor. Și unii utilizatori foarte tineri ai acestor observatoare spațiale fac descoperiri. Cititorul meticulos poate, desigur, să susțină că au doar timp să facă fotografii la rezoluții extraordinare și să vadă detalii subtile. Și, bineînțeles, importanța descoperirilor, ca regulă, este înțeleasă numai de către astronomii serioși. Dar astfel de cazuri îi inspiră pe tineri să-și dedice viețile pentru a explora spațiul cosmic. Și acest obiectiv este demn de urmat.

Astfel, realizările lui Wilhelm Konrad Roentgen au deschis accesul la cunoștințele stelare și capacitatea de a cuceri alte planete.