Бұл мақалада рентгендік дифракция сияқты нәрсенің сипаттамасы бар. Бұл құбылыстың физикалық негізі және оның қолданылуы осында түсіндіріледі.
Жаңа материалдарды жасау технологиялары
Инновация, нанотехнология – қазіргі әлемнің тенденциясы. Жаңалықтар жаңа революциялық материалдар туралы хабарларға толы. Бірақ аз ғана адамдар бар технологияларды кем дегенде аз да болса жақсарту үшін ғалымдарға қандай үлкен зерттеу аппараты қажет екендігі туралы ойлайды. Адамдарға мұны жасауға көмектесетін негізгі құбылыстардың бірі - рентген сәулелерінің дифракциясы.
Электромагниттік сәулелену
Алдымен электромагниттік сәулеленудің не екенін түсіндіру керек. Кез келген қозғалатын зарядталған дене айналасында электромагниттік өріс тудырады. Бұл өрістер айналаның бәрін қамтиды, тіпті терең кеңістіктің вакуумы да олардан бос емес. Егер мұндай өрісте кеңістікте тарала алатын периодты бұзылулар болса, оларды электромагниттік сәулелену деп атайды. Оны сипаттау үшін толқын ұзындығы, жиілік және оның энергиясы сияқты ұғымдар қолданылады. Энергия дегеніміз интуитивті, ал толқын ұзындығы арасындағы қашықтықбірдей фазалар (мысалы, көршілес екі максимум арасында). Толқын ұзындығы (және, тиісінше, жиілік) неғұрлым жоғары болса, оның энергиясы соғұрлым төмен болады. Еске салайық, бұл ұғымдар рентгендік дифракцияның не екенін қысқаша және қысқаша сипаттау үшін қажет.
Электромагниттік спектр
Электромагниттік сәулелердің барлық түрлері арнайы шкалаға сәйкес келеді. Толқын ұзындығына қарай олар ажыратады (ең ұзыннан ең қысқасына қарай):
- радиотолқындар;
- терагерц толқындары;
- инфрақызыл толқындар;
- көрінетін толқындар;
- ультракүлгін толқындар;
- Рентгендік толқындар;
- гамма-сәулелену.
Осылайша, бізді қызықтыратын сәулелену өте қысқа толқын ұзындығына және ең жоғары энергияға ие (сондықтан оны кейде қатты деп те атайды). Сондықтан біз рентгендік дифракцияның не екенін сипаттауға жақындап келеміз.
Рентген сәулелерінің шығу тегі
Сәулелену энергиясы неғұрлым жоғары болса, оны жасанды жолмен алу соғұрлым қиын болады. От жағу арқылы адам инфрақызыл сәулеленуді көп алады, өйткені ол жылуды береді. Бірақ рентген сәулелерінің кеңістіктік құрылымдармен дифракциясы болуы үшін көп күш жұмсау керек. Сонымен, электромагниттік сәулеленудің мұндай түрі электрон ядроға жақын орналасқан атомның қабығынан шығарылған кезде бөлінеді. Жоғарыда орналасқан электрондар пайда болған тесікті, олардың өтуін толтырып, рентгендік фотондарды беруге бейім. Сондай-ақ массасы бар зарядталған бөлшектердің күрт баяулауы кезінде (мысалы,электрондар), бұл жоғары энергиялы сәулелер шығарылады. Осылайша, кристалдық тордағы рентген сәулелерінің дифракциясы энергияның жеткілікті үлкен көлемінің жұмсалуымен бірге жүреді.
Өнеркәсіптік масштабта бұл сәуле келесі түрде алынады:
- Катод жоғары энергиялы электрон шығарады.
- Электрон анодтың материалымен соқтығысады.
- Электрон күрт баяулайды (рентген сәулелерін шығару кезінде).
- Басқа жағдайда, баяулаушы бөлшек атомның төменгі орбитасынан электронды анодтық материалдан шығарады, ол да рентген сәулелерін тудырады.
Сондай-ақ, кез келген басқа электромагниттік сәулелер сияқты, рентген сәулелерінің де өзіндік спектрі бар екенін түсіну қажет. Бұл радиацияның өзі өте кең қолданылады. Сынған сүйекті немесе өкпедегі массаны рентген сәулелерінің көмегімен іздейтінін бәрі біледі.
Кристалды заттың құрылымы
Енді біз рентгендік дифракция әдісі дегенге жақындадық. Ол үшін қатты дененің қалай орналасатынын түсіндіру керек. Ғылымда қатты денені кристалдық күйдегі кез келген зат деп атайды. Ағаш, саз немесе шыны қатты, бірақ оларда ең бастысы жетіспейді: мерзімді құрылым. Бірақ кристалдардың бұл таңғажайып қасиеті бар. Бұл құбылыстың атауының өзі оның мәнін қамтиды. Алдымен сіз кристалдағы атомдардың қатаң бекітілгенін түсінуіңіз керек. Олардың арасындағы байланыстар икемділік дәрежесіне ие, бірақ олар атомдар ішінде қозғала алмайтындай күшті.торлар. Мұндай эпизодтар мүмкін, бірақ өте күшті сыртқы әсермен. Мысалы, металл кристалы иілсе, онда әртүрлі типтегі нүктелік ақаулар пайда болады: кейбір жерлерде атом өз орнын тастап, бос орын түзеді, басқаларында ол дұрыс емес позицияларға жылжып, интерстициалды ақау түзеді. Иілу орнында кристал өзінің жіңішке кристалдық құрылымын жоғалтады, өте ақаулы, бос болады. Сондықтан металл қасиетін жоғалтқандықтан, бір рет иілген қағаз қыстырғышты қолданбаған дұрыс.
Егер атомдар қатаң бекітілген болса, олар енді сұйықтықтардағыдай бір-біріне қатысты ретсіз орналаса алмайды. Олар өзара әрекеттесу энергиясын барынша азайтатындай етіп ұйымдастыруы керек. Осылайша, атомдар торға орналасады. Әрбір торда кеңістікте ерекше түрде орналасқан атомдардың минималды жиынтығы бар - бұл кристалдың элементар ұясы. Егер біз оны толығымен тарататын болсақ, яғни шеттерін бір-бірімен біріктіріп, кез келген бағытта жылжытсақ, біз бүкіл кристалды аламыз. Дегенмен, бұл модель екенін есте ұстаған жөн. Кез келген нақты кристалдың ақаулары бар, сондықтан дәл аудармаға қол жеткізу мүмкін емес. Қазіргі кремний жады жасушалары идеалды кристалдарға жақын. Дегенмен, оларды алу керемет энергия мен басқа ресурстарды қажет етеді. Зертханада ғалымдар әртүрлі типтегі мінсіз құрылымдарды алады, бірақ, әдетте, оларды құруға кететін шығындар тым жоғары. Бірақ біз барлық кристалдар идеалды деп есептейміз: кез келгеніндебағытта бірдей атомдар бір-бірінен бірдей қашықтықта орналасады. Бұл құрылым кристалдық тор деп аталады.
Кристалл құрылымын зерттеу
Осы фактіге байланысты кристалдарда рентгендік дифракция мүмкін. Кристалдардың периодтық құрылымы оларда басқа бағыттарға қарағанда атомдар көп болатын белгілі бір жазықтықтарды жасайды. Кейде бұл жазықтықтар кристалдық тордың симметриясымен, кейде атомдардың өзара орналасуымен белгіленеді. Әрбір ұшақтың өз белгісі тағайындалады. Ұшақтар арасындағы қашықтық өте аз: бірнеше ангстромдар реті бойынша (еске салсақ, ангстром 10-10 метр немесе 0,1 нанометр).
Алайда кез келген нақты кристалда бір бағыттағы көптеген жазықтықтар бар, тіпті өте кішкентай. Рентген сәулелерінің дифракциясы әдіс ретінде бұл фактіні пайдаланады: бір бағыттағы жазықтықта бағытын өзгерткен барлық толқындар қорытындыланады, шығысында жеткілікті анық сигнал береді. Сондықтан ғалымдар бұл ұшақтардың кристалдың ішінде қандай бағытта орналасқанын түсініп, кристалдық құрылымның ішкі құрылымын бағалай алады. Алайда бұл деректердің өзі жеткіліксіз. Көлбеу бұрышынан басқа, сіз жазықтықтар арасындағы қашықтықты да білуіңіз керек. Онсыз сіз құрылымның мыңдаған әртүрлі үлгілерін ала аласыз, бірақ нақты жауапты білмейсіз. Ғалымдар ұшақтар арасындағы қашықтықты қалай білетіні төменде талқыланады.
Дифракция құбылысы
Кристалдардың кеңістік торындағы рентгендік дифракцияның физикалық негіздемесін жоғарыда келтірдік. Алайда оның мәнін әлі түсіндірген жоқпыздифракция құбылыстары. Сонымен, дифракция - кедергілерді толқындармен (соның ішінде электромагниттік) дөңгелектеу. Бұл құбылыс сызықтық оптика заңын бұзу сияқты көрінеді, бірақ олай емес. Ол, мысалы, фотондардың интерференциялық және толқындық қасиеттерімен тығыз байланысты. Егер жарық жолында кедергі болса, дифракцияға байланысты фотондар бұрышқа «қарауы» мүмкін. Жарық бағыты түзу сызықтан қанша қашықтыққа тарайтыны кедергінің өлшеміне байланысты. Кедергі неғұрлым аз болса, электромагниттік толқын ұзындығы соғұрлым қысқа болуы керек. Сондықтан монокристалдардағы рентген сәулелерінің дифракциясы осындай қысқа толқындар арқылы жүзеге асырылады: жазықтықтар арасындағы қашықтық өте аз, оптикалық фотондар олардың арасында жай ғана «жорғаламайды», тек бетінен шағылысады.
Мұндай ұғым дұрыс, бірақ қазіргі ғылымда ол тым тар деп саналады. Оның анықтамасын кеңейту үшін, сондай-ақ жалпы эрудиция үшін біз толқын дифракциясының көріну әдістерін ұсынамыз.
- Толқындардың кеңістіктік құрылымын өзгерту. Мысалы, толқын сәулесінің таралу бұрышының кеңеюі, толқынның немесе толқындар қатарының қандай да бір қолайлы бағытта ауытқуы. Толқындардың кедергілерді айналып өтуі құбылыстардың осы класына жатады.
- Толқындардың спектрге ыдырауы.
- Толқынның поляризациясының өзгеруі.
- Толқындардың фазалық құрылымының трансформациясы.
Дифракция құбылысы интерференциямен бірге жарық шоғы оның артындағы тар саңылауға бағытталғанда біз бір емес, бірнешеуін көреміз.жарық максимумы. Максимум ұяның ортасынан неғұрлым алыс болса, оның реті соғұрлым жоғары болады. Сонымен қатар, тәжірибені дұрыс орнатқанда, кәдімгі тігін инесінен (әрине, жұқа) көлеңке бірнеше жолақтарға бөлінеді және жарық максимумы минимум емес, дәл иненің артында байқалады.
Вульф-Брегг формуласы
Жоғарыда соңғы сигнал кристалдың ішіндегі бірдей көлбеу жазықтықтардан шағылысқан барлық рентгендік фотондардың қосындысы екенін айттық. Бірақ бір маңызды қатынас құрылымды дәл есептеуге мүмкіндік береді. Онсыз рентгендік дифракция пайдасыз болар еді. Вульф-Брагг формуласы келесідей көрінеді: 2dsinƟ=nλ. Мұндағы d – көлбеу бұрышы бірдей жазықтықтар арасындағы қашықтық, θ – жалт бұру бұрышы (Брегг бұрышы) немесе жазықтықтағы түсу бұрышы, n – дифракция максимумының реті, λ – толқын ұзындығы. Мәліметтерді алу үшін қандай рентгендік спектр қолданылатыны және бұл сәулеленудің қандай бұрышқа түсетіні алдын ала белгілі болғандықтан, бұл формула d мәнін есептеуге мүмкіндік береді. Бұл ақпаратсыз заттың құрылымын дәл алу мүмкін емес екенін біз жоғарыда айттық.
Рентгендік дифракцияның заманауи қолданылуы
Сұрақ туындайды: бұл талдау қандай жағдайда қажет, ғалымдар құрылым әлеміндегі барлық нәрсені зерттеп қойған жоқ па және адамдар іргелі жаңа заттарды алған кезде оларды қандай нәтиже күтіп тұрғанын болжамайды ма? ? Төрт жауап бар.
- Иә, біз өз планетамызды жақсы білдік. Бірақ жыл сайын жаңа пайдалы қазбалар табылуда. Кейде олардың құрылымы біркелкі боладырентгенсіз болжау жұмыс істемейді.
- Көптеген ғалымдар бұрыннан бар материалдардың қасиеттерін жақсартуға тырысуда. Бұл заттар әртүрлі өңдеу түрлеріне (қысым, температура, лазерлер және т.б.) ұшырайды. Кейде элементтер олардың құрылымына қосылады немесе жойылады. Кристаллдардағы рентген сәулелерінің дифракциясы бұл жағдайда қандай ішкі қайта реттеулер орын алғанын түсінуге көмектеседі.
- Кейбір қолданбалар үшін (мысалы, белсенді медиа, лазерлер, жад карталары, бақылау жүйелерінің оптикалық элементтері) кристалдар өте дәл сәйкес келуі керек. Сондықтан олардың құрылымы осы әдіс арқылы тексеріледі.
- Рентгендік дифракция – көпкомпонентті жүйелерде синтез кезінде қанша және қандай фазалар алынғанын білудің жалғыз жолы. Мұндай жүйелердің мысалы ретінде заманауи технологияның керамикалық элементтері бола алады. Қажет емес фазалардың болуы ауыр зардаптарға әкелуі мүмкін.
Ғарышты зерттеу
Көптеген адамдар: "Жер орбитасында үлкен обсерваториялар не үшін керек, адамзат кедейлік пен соғыс мәселелерін әлі шешпеген болса, бізге ровер не үшін қажет?"
Әркімнің өз себебі де, қарсы да себебі бар, бірақ адамзаттың арманы болуы керек екені анық.
Сондықтан, жұлдыздарға қарап, бүгін біз сенімді түрде айта аламыз: біз олар туралы күн сайын көбірек білеміз.
Ғарышта болып жатқан процестердің рентген сәулелері біздің планетамыздың бетіне жетпейді, олар атмосфераға жұтылады. Бірақ бұл бөлікЭлектромагниттік спектр жоғары энергия құбылыстары туралы көптеген мәліметтерді қамтиды. Сондықтан рентген сәулелерін зерттейтін аспаптарды Жерден, орбитаға шығару керек. Қазіргі уақытта бар станциялар келесі нысандарды зерттеуде:
- супернованың жарылыстарының қалдықтары;
- галактика орталықтары;
- нейтрондық жұлдыздар;
- қара тесіктер;
- массалы нысандардың соқтығысуы (галактикалар, галактикалар топтары).
Бір қызығы, әртүрлі жобалар бойынша бұл станцияларға студенттер, тіпті мектеп оқушылары да кіруге мүмкіндік береді. Олар терең кеңістіктен түсетін рентген сәулелерін зерттейді: дифракция, интерференция, спектр олардың қызығушылығына айналады. Осы ғарыштық обсерваторияларды кейбір өте жас пайдаланушылар жаңалықтар ашуда. Мұқият оқырман, әрине, жоғары ажыратымдылықтағы суреттерді қарап, нәзік бөлшектерді байқайтын уақыт бар деп қарсылық білдіруі мүмкін. Және, әрине, ашылулардың маңыздылығын, әдетте, байыпты астрономдар ғана түсінеді. Бірақ мұндай жағдайлар жастардың өмірін ғарышты игеруге арнауға итермелейді. Бұл мақсатты орындауға тұрарлық.
Осылайша, Вильгельм Конрад Рентгеннің жетістіктері жұлдызды білімге және басқа планеталарды жаулап алу мүмкіндігіне жол ашты.
