Какво представлява рентгенова дифракция?

Тази статия описва концепция като рентгенова дифракция. Това обяснява физическата основа на това явление и неговото приложение.

Технологии за създаване на нови материали

Иновациите, нанотехнологиите са тенденцията на съвременния свят. Новините са пълни с доклади за нови революционни материали. Малцина обаче се чудят какво е необходимо учените да създадат най-малкото подобрение в съществуващите технологии. Едно от фундаменталните явления, които помагат на хората в това, е рентгенова дифракция.

Електромагнитно излъчване

Първо, трябва да обясните какво е електромагнитно излъчване. Всяко движещо се заредено тяло генерира електромагнитно поле около себе си. Тези полета пронизват всичко наоколо, дори и вакуумът на дълбокото пространство не е свободен от тях. Ако възникнат периодични смущения в такова поле, което може да се разпространява в космоса, те се наричат ​​електромагнитно излъчване. За своето описание се прилагат концепции като дължина на вълната, честота и нейната енергия. Енергията е интуитивно разбираема и дължината на вълната е разстоянието между идентични фази (например между две съседни максимуми). Колкото по-висока е дължината на вълната (и съответно, честотата), толкова по-ниска е нейната енергия. Спомнете си, тези концепции са необходими, за да опише какво дифракция на рентгеновите лъчи е кратка и обширна.

Електромагнитен спектър

Цялото разнообразие от електромагнитни лъчи се побира в специален мащаб. В зависимост от дължината на вълната, различавайте (от най-дългия към най-краткия):

• радиовълни;
• терахерцови вълни;
• инфрачервени вълни;
• видими вълни;
• ултравиолетови вълни;
• Рентгенови вълни;
• гама лъчение.

По този начин радиацията, която ни интересува, има много къса дължина на вълната и най-високите енергии (поради това понякога се нарича твърда). Следователно, ние се доближаваме до описание на това, което е рентгенова дифракция.

Произход на рентгеновите лъчи

Колкото по-висока е радиацията, толкова по-трудно е да се получи изкуствено. След като се разведе с огън, човек получава много инфрачервена радиация, защото предава топлина. Но за да се получи рентгенова дифракция върху пространствените структури, трябва да се свърши много работа. Така че, този вид електромагнитно излъчване се освобождава, ако ударите електрона от обвивката на атома, който е близо до ядрото. Електроните, разположени по-горе, са склонни да запълват образувания отвор, преходите си и дават рентгенови фотони. Също така, при силно инхибиране на заредените частици, които имат маса (например, електрони), тези високоенергийни лъчи се произвеждат. Така, дифракцията на рентгеновите лъчи върху кристалната решетка е придружена от изразходването на достатъчно голямо количество енергия.

В промишлен мащаб това излъчване се получава, както следва:

1. Катодът излъчва електронен с висока енергия.
2. Електронът се сблъсква с анодния материал.
3. Електронът внезапно потиска (в същото време излъчва рентгенови лъчи).
4. В другия случай, забавящата частица удря електрона от ниската орбита на атома от анодния материал, който също генерира рентгенов лъч.

Трябва също така да се разбере, че както всяко друго електромагнитно излъчване, рентгеновият спектър има свой спектър. Това самата радиация се използва достатъчно широко. Всеки знае, че с помощта на рентгенови лъчи се търси счупена кост или формация в белите дробове.

Структурата на кристалното вещество

Сега ние сме много близки до това, което е рентгеновият дифракционен метод. За да направите това, обяснете как е подредено едно твърдо тяло. В науката едно твърдо тяло се нарича всяко вещество в кристално състояние. Дървото, глината или стъклото са твърди, но им липсва основната: периодична структура. Но кристалите имат тази невероятна собственост. Самото име на този феномен съдържа своята същност. За начало трябва да разберем, че атомите в кристала са твърдо закрепени. Връзките между тях имат известна степен на еластичност, но те са твърде силни, за да могат атомите да се движат в решетката. Такива епизоди са възможни, но с много силен външен ефект. Например, ако металната кристала да се огъват, са се формирали в точкови дефекти на различни видове: в някои места атом оставя мястото си, образувайки позиция, в друга - тя се премества в грешна позиция, образувайки въвеждане дефект. В точката на огъване, кристалът губи своята тънка кристална структура, става много дефектен, хлабав. Следователно, клипът, който веднъж е бил разкопан, е по-добре да не се използва, защото металът е загубил свойствата си.

Ако атомите са здраво фиксирани, те вече не могат да бъдат позиционирани помежду си хаотично, както при течностите. Те трябва да бъдат организирани по такъв начин, че да се сведе до минимум енергията на тяхното взаимодействие. По този начин атомите са подредени в решетка. Във всяка решетка има минимален набор от атоми, особено намиращи се в пространството, е елементарна клетка на кристала. Ако е напълно излъчено, т.е. да комбинираме ръбовете един с друг, движейки се в която и да е посока, получаваме целия кристал. Трябва обаче да си припомним, че това е модел. Всеки истински кристал има дефекти и е почти невъзможно да се постигне абсолютно точно излъчване. Съвременните елементи на силиконовата памет са близо до перфектни кристали. Въпреки това, получаването им изисква невероятно количество енергия и други ресурси. В лабораторията учените получават перфектни структури от различни видове, но по правило разходите за тяхното създаване са твърде големи. Но ние ще приемем, че всички кристали са идеални: във всяка посока, едни и същи атоми ще бъдат разположени на едни и същи разстояния един от друг. Такава структура се нарича кристална решетка.

Изследване на кристалната структура

Това е благодарение на този факт, че рентгеновата дифракция на кристалите е възможна. Периодичната структура на кристалите създава в тях равнини, в които има повече атоми, отколкото в други посоки. Понякога тези равнини се дават от симетрията на кристалната решетка, понякога чрез взаимното подреждане на атомите. На всяка равнина се дава свое собствено обозначение. Разстоянията между самолетите са много малки: от порядъка на няколко ангстрьома (припомнете, един angstrom е 10^-10 метър или 0.1 нанометър).

Въпреки това, самолети с една посока в който и да е истински кристал, дори много малък, са много. Рентгеновата дифракция, като метод, използва този факт: всички вълни, които са променили посоката на равнини от същата посока, се сумират, давайки достатъчно ясен сигнал на изхода. Така че учените могат да разберат в какви посоки вътре в кристала се намират тези равнини и да преценят вътрешната структура на кристалната структура. Само тези данни обаче не са достатъчни. В допълнение към ъгъла на наклон, трябва да се знае разстоянието между равнините. Без това можете да получите хиляди различни модели на структурата, но не знаете точния отговор. За това как учените научават за разстоянието между самолетите, това ще се понижи малко.

Феноменът на дифракцията

Вече дадехме физическа обосновка за това какво е дифракцията на рентгеновите лъчи върху решетката на кристалите. Все още не сме обяснили същността на феномена на дифракцията. Така че дифракцията е обгръщането от вълни (включително електромагнитни) на препятствия. Това явление изглежда нарушава закона за линейната оптика, но това не е така. Той е тясно свързан с смущенията и вълновите свойства, например, фотони. Ако по пътя на светлината има пречка, тогава поради дифракционни фотони може да "погледне" зад ъгъла. Доколко посоката на разпространение на светлината от праволинейните отклонения зависи от размера на препятствието. Колкото по-малка е препятствието, толкова по-малка е дължината на електромагнитната вълна. Ето защо рентгенова дифракция на монокристали от използването на такива къси дължини на вълните на: разстояние между самолети е много малък, оптични фотони, просто не са "се измъкне сам" между тях, и да се отрази само от повърхността.

Подобна концепция е вярна, но в съвременната наука тя се смята за твърде тясна. За да разширим дефиницията, както и за общата ерудиция, ние даваме начини за проявяване на дифракция на вълните.

1. Промяна в пространствената структура на вълните. Например разширяването на ъгъла на разпространение на вълновия лъч, отклонението на вълната или броя на вълните в избрана посока. В този клас на явлението се отнася за прекъсването на вълните на пречките.
2. Разпадане на вълните в спектъра.
3. Промяна в поляризацията на вълните.
4. Трансформация на фазовата структура на вълните.

Феноменът на дифракцията заедно с интерференцията е отговорен за факта, че когато един светлинен лъч е насочен към тесен процеп зад него, не виждаме нито една, а няколко светлинни максимума. Колкото по-далече от средата на процепа, толкова по-висок е редът му. Освен това, с правилната формулировка на експеримента, сянката от обикновената шевна игла (естествено, тънка) е разделена на няколко ленти, с максимален светлинен, невисоки, зад иглата.

Формулата "Волф-Браг"

Вече казахме, че крайният сигнал се състои от всички рентгенови фотони, които се отразяват от равнините със същия наклон вътре в кристала. Но за да изчисли структурата точно позволява една важна връзка. Без нея рентгеновата дифракция би била безполезна. Формулата "Волф-Браг" изглежда така: 2dsinth = nlambda-. Тук d е разстоянието между равнини със същия ъгъл на наклон, theta е ъгъла на приплъзване (ъгъл Bragg) или ъгъла на наклон в равнината, n е реда на дифракционния максимум, lambda - е дължината на вълната. Тъй като е известно предварително кой рентгенов спектър се използва за получаване на данните и под какъв ъгъл тази лъчение пада, тази формула прави възможно изчисляването на стойността на d. Малко по-високо казахме, че без тази информация не е възможно да се получи структурата на веществото точно.

Модерно приложение на рентгенова дифракция

Възниква въпросът: в какви случаи е необходим този анализ, учените вече не са изследвали всички структури в света и когато хората получават фундаментално нови вещества, те не очакват какъв резултат очаква? Има четири отговора.

1. Да, научихме достатъчно добре нашата планета. Но всяка година откриват нови минерали. Понякога тяхната структура дори може да се приеме, без рентгеновите лъчи да не работят.
2. Много учени се опитват да подобрят свойствата на съществуващите материали. Тези вещества се подлагат на различни видове обработка (налягане, температура, лазери и т.н.). Понякога елементите се добавят към или се премахват от тяхната структура. За да разберете какви са вътрешните пренареждания в този случай, дифракцията на рентгеновите лъчи върху кристалите ще ви помогне.
3. За някои приложения (например за активни носители на лазери, карти с памет, оптични елементи на системи за наблюдение), кристалите трябва да отговарят на изискванията много точно. Следователно, тяхната структура се проверява, като се използва този метод.
4. Рентгеновата дифракция е единственият начин да се установи колко фази и фази са получени чрез синтеза в многокомпонентни системи. Керамичните елементи на съвременната технология могат да служат като пример за такива системи. Наличието на нежелани фази може да доведе до сериозни последствия.

Космически изследвания

Много хора питат: "Защо се нуждаем от огромни обсерватории на орбитата на Земята, защо се нуждаем от роувър, ако човечеството все още не е решило проблемите на бедността и войната?"

Всеки ще има своите плюсове и минуси, но е очевидно, че човечеството трябва да има мечта.

Ето защо, гледайки звездите, днес можем да кажем с увереност: ние знаем повече за тях всеки ден.

Рентгеновите лъчи от процесите, които се появяват в пространството, не достигат до повърхността на нашата планета, те се абсорбират от атмосферата. Но тази част от електромагнитния спектър носи много данни за явления с високи енергии. Следователно, инструментите, които изучават рентгеновите лъчи, трябва да бъдат извадени от Земята в орбита. Съществуващите станции в момента изследват следните обекти:

• останки от експлозии на свръхнова;
• центровете на галактиките;
• неутронни звезди;
• черни дупки;
• Сблъсъци от масивни обекти (галактики, групи галактики).

Изненадващо, за различни проекти достъпът до тези станции се предоставя на студенти и дори на ученици. Те изследват рентгеновите лъчи от дълбокото пространство: дифракция, смущения, спектърът става обект на техния интерес. А някои много млади потребители на тези космически обсерватории правят открития. Стичният читател може, разбира се, да твърди, че те просто имат време да правят снимки с големи резолюции и да видят фини детайли. И, разбира се, важността на откритията обикновено се разбира само от сериозни астрономи. Но такива случаи вдъхновяват младите хора да посветят живота си на изследване на космическото пространство. И тази цел е достойна да следваме.

По този начин постиженията на Вилхелм Конрад Роентген са открили достъп до звездното знание и способността да завладее други планети.