Αυτό το άρθρο περιέχει μια περιγραφή ενός τέτοιου πράγματος όπως η περίθλαση ακτίνων Χ. Η φυσική βάση αυτού του φαινομένου και οι εφαρμογές του εξηγούνται εδώ.
Τεχνολογίες για τη δημιουργία νέων υλικών
Η καινοτομία, η νανοτεχνολογία είναι η τάση του σύγχρονου κόσμου. Οι ειδήσεις είναι γεμάτες αναφορές για νέα επαναστατικά υλικά. Αλλά λίγοι άνθρωποι σκέφτονται τι χρειάζονται οι επιστήμονες σε μια τεράστια ερευνητική συσκευή για να δημιουργήσουν τουλάχιστον μια μικρή βελτίωση στις υπάρχουσες τεχνολογίες. Ένα από τα θεμελιώδη φαινόμενα που βοηθούν τους ανθρώπους να το κάνουν αυτό είναι η περίθλαση ακτίνων Χ.
Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία
Πρώτα πρέπει να εξηγήσετε τι είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Οποιοδήποτε κινούμενο φορτισμένο σώμα δημιουργεί ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο γύρω του. Αυτά τα πεδία διαπερνούν τα πάντα γύρω, ακόμη και το κενό του βαθέως διαστήματος δεν είναι απαλλαγμένο από αυτά. Εάν σε ένα τέτοιο πεδίο υπάρχουν περιοδικές διαταραχές που μπορούν να διαδοθούν στο διάστημα, ονομάζονται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Για την περιγραφή του χρησιμοποιούνται έννοιες όπως το μήκος κύματος, η συχνότητα και η ενέργειά του. Αυτό που είναι ενέργεια είναι διαισθητικό και το μήκος κύματος είναι η απόσταση μεταξύ τουςπανομοιότυπες φάσεις (για παράδειγμα, μεταξύ δύο γειτονικών μέγιστων). Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος (και, κατά συνέπεια, η συχνότητα), τόσο μικρότερη είναι η ενέργειά του. Θυμηθείτε ότι αυτές οι έννοιες είναι απαραίτητες για να περιγράψουμε τι είναι η περίθλαση ακτίνων Χ συνοπτικά και συνοπτικά.
Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα
Όλη η ποικιλία των ηλεκτρομαγνητικών ακτίνων χωράει σε ειδική κλίμακα. Ανάλογα με το μήκος κύματος, διακρίνουν (από το μεγαλύτερο στο μικρότερο):
- ραδιοκύματα;
- κύματα τεραχερτζ;
- υπέρυθρα κύματα;
- ορατά κύματα;
- υπεριώδη κύματα;
- κύματα ακτίνων Χ;
- ακτινοβολία γάμμα.
Έτσι, η ακτινοβολία που μας ενδιαφέρει έχει πολύ μικρό μήκος κύματος και τις υψηλότερες ενέργειες (γι' αυτό μερικές φορές ονομάζεται σκληρή). Επομένως, πλησιάζουμε στο να περιγράψουμε τι είναι η περίθλαση ακτίνων Χ.
Η προέλευση των ακτίνων Χ
Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια της ακτινοβολίας, τόσο πιο δύσκολο είναι να την αποκτήσεις τεχνητά. Έχοντας κάνει μια φωτιά, ένα άτομο λαμβάνει πολλή υπέρυθρη ακτινοβολία, επειδή είναι αυτή που μεταφέρει θερμότητα. Αλλά για να συμβεί η περίθλαση των ακτίνων Χ από χωρικές δομές, πρέπει να γίνει μεγάλη προσπάθεια. Έτσι, αυτό το είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας απελευθερώνεται όταν ένα ηλεκτρόνιο εκτινάσσεται έξω από το κέλυφος ενός ατόμου, το οποίο βρίσκεται κοντά στον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται πάνω τείνουν να γεμίζουν την προκύπτουσα οπή, τις μεταπτώσεις τους και να δίνουν φωτόνια ακτίνων Χ. Επίσης, κατά την απότομη επιβράδυνση φορτισμένων σωματιδίων με μάζα (για παράδειγμα,ηλεκτρόνια), παράγονται αυτές οι δέσμες υψηλής ενέργειας. Έτσι, η περίθλαση των ακτίνων Χ σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα συνοδεύεται από τη δαπάνη μιας αρκετά μεγάλης ποσότητας ενέργειας.
Σε βιομηχανική κλίμακα, αυτή η ακτινοβολία λαμβάνεται ως εξής:
- Η κάθοδος εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο υψηλής ενέργειας.
- Το ηλεκτρόνιο συγκρούεται με το υλικό της ανόδου.
- Το ηλεκτρόνιο επιβραδύνεται απότομα (ενώ εκπέμπει ακτίνες Χ).
- Σε άλλη περίπτωση, το επιβραδυνόμενο σωματίδιο ρίχνει ένα ηλεκτρόνιο από τη χαμηλή τροχιά του ατόμου από το υλικό της ανόδου, το οποίο επίσης παράγει ακτίνες Χ.
Είναι επίσης απαραίτητο να κατανοήσουμε ότι, όπως κάθε άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, οι ακτίνες Χ έχουν το δικό τους φάσμα. Αυτή η ίδια η ακτινοβολία χρησιμοποιείται αρκετά ευρέως. Όλοι γνωρίζουν ότι ένα σπασμένο οστό ή μια μάζα στους πνεύμονες αναζητείται με τη βοήθεια ακτινογραφιών.
Δομή μιας κρυσταλλικής ουσίας
Τώρα πλησιάζουμε σε αυτό που είναι η μέθοδος περίθλασης ακτίνων Χ. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να εξηγήσουμε πώς είναι διατεταγμένο ένα συμπαγές σώμα. Στην επιστήμη, στερεό σώμα ονομάζεται κάθε ουσία σε κρυσταλλική κατάσταση. Το ξύλο, ο πηλός ή το γυαλί είναι συμπαγές, αλλά τους λείπει το κύριο πράγμα: μια περιοδική δομή. Αλλά οι κρύσταλλοι έχουν αυτή την εκπληκτική ιδιότητα. Το ίδιο το όνομα αυτού του φαινομένου περιέχει την ουσία του. Πρώτα πρέπει να καταλάβετε ότι τα άτομα στον κρύσταλλο είναι σταθερά στερεωμένα. Οι δεσμοί μεταξύ τους έχουν κάποιο βαθμό ελαστικότητας, αλλά είναι πολύ ισχυροί για να κινούνται τα άτομα στο εσωτερικό τους.σχάρες. Τέτοια επεισόδια είναι πιθανά, αλλά με πολύ έντονη εξωτερική επιρροή. Για παράδειγμα, εάν κάμπτεται ένας μεταλλικός κρύσταλλος, σχηματίζονται σε αυτόν ελαττώματα διαφόρων τύπων: σε ορισμένα σημεία, το άτομο φεύγει από τη θέση του, σχηματίζοντας μια κενή θέση, σε άλλα, μετακινείται σε λάθος θέσεις, σχηματίζοντας ένα διάμεσο ελάττωμα. Στη θέση της κάμψης, ο κρύσταλλος χάνει τη λεπτή κρυσταλλική του δομή, γίνεται πολύ ελαττωματικός, χαλαρός. Επομένως, είναι καλύτερα να μην χρησιμοποιείτε συνδετήρα που δεν έχει λυγίσει μία φορά, καθώς το μέταλλο έχει χάσει τις ιδιότητές του.
Εάν τα άτομα είναι σταθερά σταθερά, δεν μπορούν πλέον να διατάσσονται τυχαία μεταξύ τους, όπως στα υγρά. Πρέπει να οργανωθούν με τέτοιο τρόπο ώστε να ελαχιστοποιούν την ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους. Έτσι, τα άτομα ευθυγραμμίζονται σε ένα πλέγμα. Σε κάθε πλέγμα υπάρχει ένα ελάχιστο σύνολο ατόμων διατεταγμένα με ειδικό τρόπο στο χώρο - αυτό είναι το στοιχειώδες στοιχείο του κρυστάλλου. Αν το μεταδώσουμε εξ ολοκλήρου, δηλαδή συνδυάσουμε τις άκρες μεταξύ τους, μετατοπίζοντας προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, θα πάρουμε ολόκληρο τον κρύσταλλο. Ωστόσο, αξίζει να θυμόμαστε ότι αυτό είναι ένα μοντέλο. Κάθε πραγματικός κρύσταλλος έχει ελαττώματα και είναι σχεδόν αδύνατο να επιτευχθεί μια απολύτως ακριβής μετάφραση. Τα σύγχρονα κύτταρα μνήμης πυριτίου είναι κοντά σε ιδανικούς κρυστάλλους. Ωστόσο, η απόκτησή τους απαιτεί απίστευτες ποσότητες ενέργειας και άλλων πόρων. Στο εργαστήριο, οι επιστήμονες αποκτούν τέλειες δομές διαφόρων ειδών, αλλά, κατά κανόνα, το κόστος της δημιουργίας τους είναι πολύ υψηλό. Αλλά θα υποθέσουμε ότι όλοι οι κρύσταλλοι είναι ιδανικοί: σε οποιονδήποτεκατεύθυνση, τα ίδια άτομα θα βρίσκονται στις ίδιες αποστάσεις το ένα από το άλλο. Αυτή η δομή ονομάζεται κρυσταλλικό πλέγμα.
Μελέτη κρυσταλλικής δομής
Οφείλεται σε αυτό το γεγονός ότι είναι δυνατή η περίθλαση ακτίνων Χ σε κρυστάλλους. Η περιοδική δομή των κρυστάλλων δημιουργεί ορισμένα επίπεδα σε αυτούς, στα οποία υπάρχουν περισσότερα άτομα από ό,τι σε άλλες κατευθύνσεις. Μερικές φορές αυτά τα επίπεδα ρυθμίζονται από τη συμμετρία του κρυσταλλικού πλέγματος, μερικές φορές από την αμοιβαία διάταξη των ατόμων. Κάθε αεροπλάνο έχει τη δική του ονομασία. Οι αποστάσεις μεταξύ των επιπέδων είναι πολύ μικρές: της τάξης πολλών angstrom (υπενθύμιση, ένα angstrom είναι 10-10 μέτρο ή 0,1 νανόμετρο).
Ωστόσο, υπάρχουν πολλά επίπεδα ίδιας κατεύθυνσης σε οποιονδήποτε πραγματικό κρύσταλλο, ακόμη και σε πολύ μικρό. Η περίθλαση ακτίνων Χ ως μέθοδος εκμεταλλεύεται αυτό το γεγονός: όλα τα κύματα που έχουν αλλάξει κατεύθυνση σε επίπεδα της ίδιας κατεύθυνσης αθροίζονται, δίνοντας ένα αρκετά καθαρό σήμα στην έξοδο. Έτσι οι επιστήμονες μπορούν να καταλάβουν σε ποιες κατευθύνσεις βρίσκονται αυτά τα επίπεδα μέσα στον κρύσταλλο και να κρίνουν την εσωτερική δομή της κρυσταλλικής δομής. Ωστόσο, αυτά τα δεδομένα από μόνα τους δεν αρκούν. Εκτός από τη γωνία κλίσης, πρέπει επίσης να γνωρίζετε την απόσταση μεταξύ των επιπέδων. Χωρίς αυτό, μπορείτε να πάρετε χιλιάδες διαφορετικά μοντέλα της δομής, αλλά να μην γνωρίζετε την ακριβή απάντηση. Το πώς μαθαίνουν οι επιστήμονες για την απόσταση μεταξύ των αεροπλάνων θα συζητηθεί παρακάτω.
Φαινόμενο περίθλασης
Έχουμε ήδη δώσει μια φυσική αιτιολόγηση του τι είναι η περίθλαση ακτίνων Χ στο χωρικό πλέγμα των κρυστάλλων. Ωστόσο, δεν έχουμε εξηγήσει ακόμη την ουσίαφαινόμενα περίθλασης. Άρα, περίθλαση είναι η στρογγυλοποίηση εμποδίων από κύματα (συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρομαγνητικών). Αυτό το φαινόμενο φαίνεται να αποτελεί παραβίαση του νόμου της γραμμικής οπτικής, αλλά δεν είναι. Σχετίζεται στενά με τις ιδιότητες παρεμβολής και κυμάτων, για παράδειγμα, των φωτονίων. Εάν υπάρχει ένα εμπόδιο στο δρόμο του φωτός, τότε λόγω της περίθλασης, τα φωτόνια μπορούν να «κοιτούν» γύρω από τη γωνία. Το πόσο μακριά η κατεύθυνση του φωτός ταξιδεύει από μια ευθεία εξαρτάται από το μέγεθος του εμποδίου. Όσο μικρότερο είναι το εμπόδιο, τόσο μικρότερο θα πρέπει να είναι το μήκος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η περίθλαση ακτίνων Χ σε μεμονωμένους κρυστάλλους πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας τέτοια μικρά κύματα: η απόσταση μεταξύ των επιπέδων είναι πολύ μικρή, τα οπτικά φωτόνια απλά δεν θα «σέρνονται» μεταξύ τους, αλλά θα ανακλώνται μόνο από την επιφάνεια.
Μια τέτοια έννοια είναι αληθινή, αλλά στη σύγχρονη επιστήμη θεωρείται πολύ στενή. Για να επεκτείνουμε τον ορισμό του, καθώς και για τη γενική ευρυμάθεια, παρουσιάζουμε μεθόδους για την εκδήλωση της περίθλασης κυμάτων.
- Αλλαγή της χωρικής δομής των κυμάτων. Για παράδειγμα, η επέκταση της γωνίας διάδοσης μιας δέσμης κύματος, η εκτροπή ενός κύματος ή μιας σειράς κυμάτων σε κάποια προτιμώμενη κατεύθυνση. Σε αυτήν την κατηγορία φαινομένων ανήκει το κύμα που κάμπτεται γύρω από τα εμπόδια.
- Αποσύνθεση κυμάτων σε φάσμα.
- Αλλαγή στην πόλωση κυμάτων.
- Μετασχηματισμός της δομής φάσης των κυμάτων.
Το φαινόμενο της περίθλασης, μαζί με την παρεμβολή, ευθύνεται για το γεγονός ότι όταν μια δέσμη φωτός κατευθύνεται σε μια στενή σχισμή πίσω της, δεν βλέπουμε ένα, αλλά πολλάφωτεινά μέγιστα. Όσο πιο μακριά είναι το μέγιστο από τη μέση της υποδοχής, τόσο μεγαλύτερη είναι η σειρά του. Επιπλέον, με τη σωστή ρύθμιση του πειράματος, η σκιά από μια συνηθισμένη βελόνα ραπτικής (φυσικά, λεπτή) χωρίζεται σε πολλές λωρίδες και το μέγιστο φως παρατηρείται ακριβώς πίσω από τη βελόνα και όχι το ελάχιστο.
φόρμουλα Wulf-Bragg
Έχουμε ήδη πει παραπάνω ότι το τελικό σήμα είναι το άθροισμα όλων των φωτονίων ακτίνων Χ που ανακλώνται από επίπεδα με την ίδια κλίση μέσα στον κρύσταλλο. Αλλά μια σημαντική σχέση σας επιτρέπει να υπολογίσετε με ακρίβεια τη δομή. Χωρίς αυτό, η περίθλαση ακτίνων Χ θα ήταν άχρηστη. Ο τύπος Wulf-Bragg μοιάζει με αυτό: 2dsinƟ=nλ. Εδώ d είναι η απόσταση μεταξύ επιπέδων με την ίδια γωνία κλίσης, θ είναι η γωνία ματιάς (γωνία Bragg) ή η γωνία πρόσπτωσης στο επίπεδο, n είναι η τάξη του μέγιστου περίθλασης, λ είναι το μήκος κύματος. Δεδομένου ότι είναι γνωστό εκ των προτέρων ποιο φάσμα ακτίνων Χ χρησιμοποιείται για τη λήψη δεδομένων και σε ποια γωνία πέφτει αυτή η ακτινοβολία, αυτός ο τύπος μας επιτρέπει να υπολογίσουμε την τιμή του d. Έχουμε ήδη πει λίγο παραπάνω ότι χωρίς αυτές τις πληροφορίες είναι αδύνατο να ληφθεί με ακρίβεια η δομή μιας ουσίας.
Σύγχρονη εφαρμογή περίθλασης ακτίνων Χ
Υπάρχει το ερώτημα: σε ποιες περιπτώσεις χρειάζεται αυτή η ανάλυση, μήπως οι επιστήμονες δεν έχουν ήδη εξερευνήσει τα πάντα στον κόσμο της δομής και οι άνθρωποι, όταν αποκτούν θεμελιωδώς νέες ουσίες, δεν υποθέτουν τι είδους αποτέλεσμα τους περιμένει ? Υπάρχουν τέσσερις απαντήσεις.
- Ναι, γνωρίσαμε αρκετά καλά τον πλανήτη μας. Αλλά κάθε χρόνο ανακαλύπτονται νέα ορυκτά. Μερικές φορές η δομή τους είναι ομοιόμορφημαντέψτε χωρίς ακτινογραφίες δεν θα λειτουργήσει.
- Πολλοί επιστήμονες προσπαθούν να βελτιώσουν τις ιδιότητες των ήδη υπαρχόντων υλικών. Οι ουσίες αυτές υπόκεινται σε διάφορους τύπους επεξεργασίας (πίεση, θερμοκρασία, λέιζερ κ.λπ.). Μερικές φορές στοιχεία προστίθενται ή αφαιρούνται από τη δομή τους. Η περίθλαση ακτίνων Χ σε κρυστάλλους θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε ποιες εσωτερικές αναδιατάξεις συνέβησαν σε αυτήν την περίπτωση.
- Για ορισμένες εφαρμογές (π.χ. ενεργά μέσα, λέιζερ, κάρτες μνήμης, οπτικά στοιχεία συστημάτων επιτήρησης), οι κρύσταλλοι πρέπει να ταιριάζουν με μεγάλη ακρίβεια. Επομένως, η δομή τους ελέγχεται χρησιμοποιώντας αυτήν τη μέθοδο.
- Η περίθλαση ακτίνων Χ είναι ο μόνος τρόπος για να μάθετε πόσες και ποιες φάσεις ελήφθησαν κατά τη διάρκεια της σύνθεσης σε συστήματα πολλαπλών συστατικών. Τα κεραμικά στοιχεία της σύγχρονης τεχνολογίας μπορούν να χρησιμεύσουν ως παράδειγμα τέτοιων συστημάτων. Η παρουσία ανεπιθύμητων φάσεων μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρές συνέπειες.
Εξερεύνηση του Διαστήματος
Πολλοί άνθρωποι ρωτούν: "Γιατί χρειαζόμαστε τεράστια παρατηρητήρια στην τροχιά της Γης, γιατί χρειαζόμαστε ένα rover εάν η ανθρωπότητα δεν έχει λύσει ακόμη τα προβλήματα της φτώχειας και του πολέμου;"
Ο καθένας έχει τους δικούς του λόγους υπέρ και κατά, αλλά είναι σαφές ότι η ανθρωπότητα πρέπει να έχει ένα όνειρο.
Επομένως, κοιτάζοντας τα αστέρια, σήμερα μπορούμε να πούμε με σιγουριά: γνωρίζουμε όλο και περισσότερα για αυτά κάθε μέρα.
Οι ακτίνες Χ από διεργασίες που συμβαίνουν στο διάστημα δεν φτάνουν στην επιφάνεια του πλανήτη μας, απορροφώνται από την ατμόσφαιρα. Αλλά αυτό το κομμάτιΤο ηλεκτρομαγνητικό φάσμα μεταφέρει πολλά δεδομένα σχετικά με φαινόμενα υψηλής ενέργειας. Επομένως, τα όργανα που μελετούν τις ακτίνες Χ πρέπει να βγαίνουν από τη Γη, σε τροχιά. Επί του παρόντος οι υπάρχοντες σταθμοί μελετούν τα ακόλουθα αντικείμενα:
- υπολείμματα εκρήξεων σουπερνόβα;
- κέντρα γαλαξιών;
- αστέρια νετρονίων;
- μαύρες τρύπες;
- συγκρούσεις τεράστιων αντικειμένων (γαλαξίες, ομάδες γαλαξιών).
Περίεργα, σύμφωνα με διάφορα έργα, η πρόσβαση σε αυτούς τους σταθμούς παρέχεται σε μαθητές και ακόμη και σε μαθητές. Μελετούν τις ακτίνες Χ που προέρχονται από το βαθύ διάστημα: η περίθλαση, η παρεμβολή, το φάσμα γίνονται το αντικείμενο του ενδιαφέροντός τους. Και μερικοί πολύ νέοι χρήστες αυτών των διαστημικών παρατηρητηρίων κάνουν ανακαλύψεις. Ένας σχολαστικός αναγνώστης μπορεί, φυσικά, να αντιταχθεί ότι έχει απλώς χρόνο να δει φωτογραφίες υψηλής ανάλυσης και να παρατηρήσει λεπτές λεπτομέρειες. Και φυσικά, η σημασία των ανακαλύψεων, κατά κανόνα, γίνεται κατανοητή μόνο από σοβαρούς αστρονόμους. Όμως τέτοιες περιπτώσεις εμπνέουν τους νέους να αφιερώσουν τη ζωή τους στην εξερεύνηση του διαστήματος. Και αυτός ο στόχος αξίζει να επιδιώξουμε.
Έτσι, τα επιτεύγματα του Wilhelm Conrad Roentgen άνοιξαν την πρόσβαση στην αστρική γνώση και την ικανότητα να κατακτήσεις άλλους πλανήτες.
