Τι είναι η διάθλαση ακτίνων Χ;

Αυτό το άρθρο περιγράφει μια ιδέα όπως η περίθλαση ακτίνων Χ. Αυτό εξηγεί τη φυσική βάση αυτού του φαινομένου και την εφαρμογή του.

Τεχνολογίες για τη δημιουργία νέων υλικών

Καινοτομία, νανοτεχνολογία - αυτή είναι η τάση του σύγχρονου κόσμου. Τα νέα είναι γεμάτα από εκθέσεις για νέα επαναστατικά υλικά. Αλλά λίγοι άνθρωποι αναρωτιούνται τι χρειάζεται ένας τεράστιος ερευνητικός μηχανισμός από τους επιστήμονες για να δημιουργήσουν τουλάχιστον μια μικρή βελτίωση στις υπάρχουσες τεχνολογίες. Ένα από τα θεμελιώδη φαινόμενα που βοηθούν τους ανθρώπους σε αυτό είναι η περίθλαση ακτίνων Χ.

Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

Πρώτα πρέπει να εξηγήσετε τι είναι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Κάθε κινούμενο φορτισμένο σώμα παράγει ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο γύρω του. Αυτά τα πεδία διαπερνούν τα πάντα γύρω, ακόμα και το κενό του βαθύ χώρο δεν είναι απαλλαγμένο από αυτά. Αν προκύψουν περιοδικές διαταραχές σε ένα τέτοιο πεδίο, το οποίο μπορεί να μεταδοθεί στο διάστημα, ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Για την περιγραφή του, εφαρμόζονται έννοιες όπως το μήκος κύματος, η συχνότητα και η ενέργειά του. Η ενέργεια είναι κατανοητή διαισθητικά και το μήκος κύματος είναι η απόσταση μεταξύ πανομοιότυπων φάσεων (για παράδειγμα, μεταξύ δύο γειτονικών μεγίστων). Όσο υψηλότερο είναι το μήκος κύματος (και, αντίστοιχα, η συχνότητα), τόσο χαμηλότερη είναι η ενέργειά του. Θυμηθείτε, αυτές οι έννοιες είναι απαραίτητες για να περιγράψουμε ποια περίθλαση ακτίνων Χ είναι σύντομη και ευρύχωρη.

Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

Η όλη ποικιλία ηλεκτρομαγνητικών ακτίνων χωράει σε ειδική κλίμακα. Ανάλογα με το μήκος κύματος, διακρίνετε (από τη μεγαλύτερη έως τη συντομότερη):

• Ραδιοκύματα.
• Terahertz κύματα?
• Υπέρυθρα κύματα.
• Ορατά κύματα.
• Υγρά υπεριωδών ακτίνων.
• Ακτινογραφικά κύματα.
• Ακτινοβολία γάμμα.

Έτσι, η ακτινοβολία που μας ενδιαφέρει έχει ένα πολύ μικρό μήκος κύματος και τις υψηλότερες ενέργειες (επομένως κάποιες φορές λέγεται σκληρό). Συνεπώς, προσεγγίζουμε μια περιγραφή της περίθλασης ακτίνων Χ.

Προέλευση των ακτίνων Χ

Όσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια της ακτινοβολίας, τόσο πιο δύσκολη είναι η τεχνητή απόκτηση. Έχοντας διαχωρίσει μια πυρκαγιά, ένα άτομο λαμβάνει πολλή υπέρυθρη ακτινοβολία, επειδή μεταφέρει θερμότητα. Αλλά για να υπάρξει περίθλαση ακτίνων Χ στις χωροταξικές δομές, πρέπει να γίνει πολλή δουλειά. Έτσι, αυτό το είδος ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας απελευθερώνεται, αν χτυπάτε το ηλεκτρόνιο από το κέλυφος του ατόμου, το οποίο είναι κοντά στον πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται πιο πάνω τείνουν να γεμίζουν την οπή που σχηματίζεται, τις μεταβάσεις τους και να δίνουν φωτόνια ακτίνων Χ. Επίσης, με την ισχυρή αναστολή φορτισμένων σωματιδίων που έχουν μάζα (για παράδειγμα, ηλεκτρόνια), παράγονται αυτές οι υψηλής ενέργειας ακτίνες. Έτσι, η περίθλαση των ακτίνων Χ σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα συνοδεύεται από την δαπάνη μιας επαρκώς μεγάλης ποσότητας ενέργειας.

Σε βιομηχανική κλίμακα, αυτή η ακτινοβολία λαμβάνεται ως εξής:

1. Η κάθοδος εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο με υψηλή ενέργεια.
2. Το ηλεκτρόνιο συγκρούεται με το υλικό ανόδου.
3. Το ηλεκτρονικό αναστέλλει απότομα (ταυτόχρονα εκπέμπει ακτίνες Χ).
4. Στην άλλη περίπτωση, το σωματίδιο φρεναρίσματος χτυπά το ηλεκτρόνιο από τη χαμηλή τροχιά του ατόμου από το υλικό ανόδου, το οποίο επίσης παράγει ακτίνες Χ.

Πρέπει επίσης να γίνει κατανοητό ότι, όπως κάθε άλλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η ακτινογραφία έχει το δικό της φάσμα. Αυτή η ακτινοβολία χρησιμοποιείται αρκετά ευρέως. Όλοι γνωρίζουν ότι ένα σπασμένο οστό ή σχηματισμός στους πνεύμονες αναζητείται ακριβώς με τη βοήθεια των ακτίνων Χ.

Η δομή της κρυσταλλικής ουσίας

Τώρα πλησιάζουμε σε ποια είναι η μέθοδος περίθλασης ακτίνων Χ. Γι 'αυτό, είναι απαραίτητο να εξηγήσουμε πώς είναι τοποθετημένο ένα συμπαγές σώμα. Στην επιστήμη, ένα στερεό σώμα ονομάζεται οποιαδήποτε ουσία στην κρυσταλλική κατάσταση. Το ξύλο, ο πηλός ή το γυαλί είναι σκληρά, αλλά στερούνται το κύριο: μια περιοδική δομή. Αλλά οι κρύσταλλοι έχουν αυτή την εκπληκτική ιδιότητα. Το ίδιο το όνομα αυτού του φαινομένου περιέχει την ουσία του. Αρχικά, πρέπει να καταλάβουμε ότι τα άτομα του κρυστάλλου είναι σταθερά σταθερά. Οι δεσμοί μεταξύ τους έχουν κάποιο βαθμό ελαστικότητας, αλλά είναι πολύ ισχυροί ώστε τα άτομα να μπορούν να κινηθούν μέσα στο πλέγμα. Τέτοια επεισόδια είναι δυνατά, αλλά με πολύ ισχυρή εξωτερική επίδραση. Για παράδειγμα, εάν κάμπτεται ένας μεταλλικός κρύσταλλος, σχηματίζονται σημεία ελαττώματος διαφορετικών τύπων: σε μερικά σημεία το άτομο αφήνει τη θέση του, σχηματίζοντας μια κενή θέση, σε άλλα μετακινείται στις θέσεις που δεν είναι τοποθετημένες σε αυτόν, σχηματίζοντας ένα ελάττωμα εισαγωγής. Στο σημείο της κάμψης, ο κρύσταλλος χάνει την λεπτή κρυσταλλική του δομή, καθίσταται πολύ ελαττωματική, εύθρυπτη. Ως εκ τούτου, το κλιπ, το οποίο ήταν unbent μια φορά, είναι καλύτερο να μην χρησιμοποιήσει, επειδή το μέταλλο έχασε τις ιδιότητές του.

Εάν τα άτομα είναι σταθερά στερεωμένα, δεν μπορούν πλέον να είναι διατεταγμένα σε σχέση με το άλλο χαστικά, όπως στα υγρά. Θα πρέπει να οργανώνονται κατά τρόπο που να ελαχιστοποιεί την ενέργεια της αλληλεπίδρασής τους. Έτσι, τα άτομα παρατάσσονται σε ένα πλέγμα. Σε κάθε πλέγμα υπάρχει ένα ελάχιστο σύνολο ατόμων, ειδικά τοποθετημένο στο διάστημα, είναι ένα στοιχειώδες στοιχείο του κρυστάλλου. Εάν μεταδίδεται πλήρως, δηλαδή, για να συνδυάσουμε τις άκρες μεταξύ τους, κινούμαστε προς οποιαδήποτε κατεύθυνση, έχουμε ολόκληρο τον κρύσταλλο. Ωστόσο, αξίζει να θυμόμαστε ότι αυτό είναι ένα μοντέλο. Οποιοσδήποτε πραγματικός κρύσταλλος έχει ελαττώματα και είναι σχεδόν αδύνατο να επιτευχθεί μια ακριβής εκπομπή. Τα σύγχρονα στοιχεία μνήμης πυριτίου είναι κοντά σε ιδανικούς κρυστάλλους. Ωστόσο, η απόκτηση τους απαιτεί απίστευτες ποσότητες ενέργειας και άλλων πόρων. Στο εργαστήριο, οι επιστήμονες έχουν τέλειες δομές διαφορετικών τύπων, αλλά, κατά κανόνα, το κόστος δημιουργίας τους είναι υπερβολικά μεγάλο. Αλλά θα υποθέσουμε ότι όλοι οι κρύσταλλοι είναι ιδανικοί: σε οποιαδήποτε κατεύθυνση, τα ίδια άτομα θα βρίσκονται στις ίδιες αποστάσεις το ένα από το άλλο. Μια τέτοια δομή ονομάζεται κρυσταλλικό πλέγμα.

Διερεύνηση κρυσταλλικής δομής

Είναι χάρη σε αυτό το γεγονός ότι είναι δυνατή η διάθλαση ακτίνων Χ σε κρυστάλλους. Η περιοδική δομή των κρυστάλλων δημιουργεί σε αυτά ορισμένα επίπεδα στα οποία υπάρχουν περισσότερα άτομα από ό, τι σε άλλες κατευθύνσεις. Μερικές φορές αυτά τα επίπεδα καθορίζονται από τη συμμετρία του κρυσταλλικού πλέγματος, μερικές φορές από την αμοιβαία διάταξη των ατόμων. Κάθε αεροπλάνο έχει την δική του ονομασία. Οι αποστάσεις μεταξύ των αεροπλάνων είναι πολύ μικρές: από τη σειρά μερικών angstroms (θυμηθείτε, ένα angstrom είναι 10 ^-10 μέτρα ή 0,1 νανόμετρα).

Ωστόσο, πολλά αεροπλάνα μιας κατεύθυνσης σε οποιοδήποτε πραγματικό κρύσταλλο, ακόμα και πολύ μικρό. Η περίθλαση ακτίνων Χ ως μέθοδος χρησιμοποιεί αυτό το γεγονός: αθροίζονται όλα τα κύματα που άλλαξαν την κατεύθυνση στα επίπεδα μιας κατεύθυνσης δίνοντας ένα επαρκώς σαφές σήμα στην έξοδο. Έτσι οι επιστήμονες μπορούν να καταλάβουν σε ποιες κατευθύνσεις βρίσκονται μέσα στο κρύσταλλο αυτά τα αεροπλάνα και να κρίνουν την εσωτερική δομή της κρυσταλλικής δομής. Ωστόσο, μόνο αυτά τα δεδομένα δεν αρκούν. Εκτός από τη γωνία κλίσης, πρέπει να γνωρίζουμε την απόσταση μεταξύ των επιπέδων. Χωρίς αυτό, μπορείτε να πάρετε χιλιάδες διαφορετικά μοντέλα δομής, αλλά δεν γνωρίζετε την ακριβή απάντηση. Σχετικά με το πώς οι επιστήμονες μαθαίνουν σχετικά με την απόσταση μεταξύ των αεροσκαφών, θα πάνε λίγο χαμηλότερα.

Το φαινόμενο της περίθλασης

Έχουμε ήδη δώσει μια φυσική αιτιολόγηση για το τι είναι η περίθλαση των ακτίνων Χ στο πλέγμα των κρυστάλλων. Ωστόσο, δεν έχουμε εξηγήσει ακόμα την ουσία του φαινομένου της περίθλασης. Έτσι, η περίθλαση είναι η περιβάλλουσα από τα κύματα (συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρομαγνητικών) εμπόδια. Αυτό το φαινόμενο φαίνεται να παραβιάζει τον νόμο της γραμμικής οπτικής, αλλά αυτό δεν συμβαίνει. Είναι στενά συνδεδεμένη με τις παρεμβολές και τις ιδιότητες κύματος, για παράδειγμα, τα φωτόνια. Εάν υπάρχει ένα εμπόδιο στην πορεία του φωτός, τότε λόγω φωτονίων διάθλασης μπορεί να "ματιά" γύρω από τη γωνία. Πόσο μακριά η κατεύθυνση της διάδοσης του φωτός από τις ευθύγραμμες αποκλίσεις εξαρτάται από το μέγεθος του εμποδίου. Όσο μικρότερο είναι το εμπόδιο, τόσο μικρότερο είναι το μήκος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η περίθλαση ακτίνων Χ σε μονήρους κρυστάλλους πραγματοποιείται με τη βοήθεια τέτοιων βραχέων κυμάτων: η απόσταση μεταξύ των αεροπλάνων είναι πολύ μικρή, τα οπτικά φωτόνια απλά δεν "σκάβουν" μεταξύ τους, αλλά μόνο αντανακλούν από την επιφάνεια.

Μια τέτοια έννοια είναι αλήθεια, αλλά στη σύγχρονη επιστήμη θεωρείται πολύ στενή. Για να διευρύνουμε τον ορισμό του, καθώς και για τη γενική διαπαιδαγώγηση, δίνουμε τρόπους για να εκδηλώσουμε παραμόρφωση κύματος.

1. Αλλαγή στη χωρική δομή των κυμάτων. Για παράδειγμα, η επέκταση της γωνίας διάδοσης μιας δέσμης κύματος, η εκτροπή ενός κύματος ή ενός αριθμού κυμάτων σε κάποια επιλεγμένη κατεύθυνση. Σε αυτή την κατηγορία φαινομένων πρόκειται για το κύμα των εμποδίων.
2. Αποσύνθεση κυμάτων στο φάσμα.
3. Αλλαγή στην πόλωση των κυμάτων.
4. Μετασχηματισμός της δομής φάσης των κυμάτων.

Το φαινόμενο της περίθλασης μαζί με την παρεμβολή είναι υπεύθυνο για το γεγονός ότι όταν μια ακτίνα φωτός κατευθύνεται προς μια στενή σχισμή πίσω από αυτήν, δεν βλέπουμε ένα αλλά μερικά μέγιστα φώτα. Όσο πιο μακριά γίνεται το μέγιστο από τη μέση της σχισμής, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάξη της. Επιπλέον, με τη σωστή διατύπωση του πειράματος, η σκιά από τη συνηθισμένη βελόνα ραφής (φυσικά, λεπτή) χωρίζεται σε πολλές ζώνες, με ένα μέγιστο φως, όχι ελάχιστο, πίσω από τη βελόνα.

Ο τύπος Wolf-Bragg

Έχουμε ήδη πει παραπάνω ότι το τελικό σήμα αποτελείται από όλα τα φωτόνια ακτίνων Χ, τα οποία αντανακλώνται από τα επίπεδα με την ίδια κλίση μέσα στον κρύσταλλο. Αλλά για να υπολογίσει τη δομή επιτρέπει με ακρίβεια μια σημαντική σχέση. Χωρίς αυτό, η περίθλαση ακτίνων Χ θα ήταν άχρηστη. Η φόρμουλα Wolf-Bragg μοιάζει με αυτό: 2dsinτι = nλ. Εδώ d είναι η απόσταση μεταξύ των επιπέδων με την ίδια κλίση, θ είναι η γωνία ολίσθησης (γωνία Bragg) ή η γωνία πρόσπτωσης στο επίπεδο, η είναι η σειρά του μέγιστου περιθλάσματος και λ είναι το μήκος κύματος. Δεδομένου ότι είναι γνωστό εκ των προτέρων ποιο φάσμα ακτίνων Χ χρησιμοποιείται για την απόκτηση των δεδομένων και υπό ποια γωνία αυτή η ακτινοβολία πέφτει, ο τύπος αυτός καθιστά δυνατό τον υπολογισμό της τιμής του d. Λίγο πιο ψηλά είπαμε ήδη ότι χωρίς αυτές τις πληροφορίες είναι αδύνατο να πάρουμε με ακρίβεια τη δομή της ουσίας.

Σύγχρονη εφαρμογή περίθλασης ακτίνων Χ

Ανακύπτει το ερώτημα: Σε ποιες περιπτώσεις είναι αναγκαία αυτή η ανάλυση, οι επιστήμονες δεν έχουν ήδη διερευνήσει τα πάντα στον κόσμο της δομής και είναι ότι όταν οι άνθρωποι παίρνουν ριζικά νέες ουσίες, δεν αναμένουν τι είδους αποτέλεσμα αναμένουν; Υπάρχουν τέσσερις απαντήσεις.

1. Ναι, μάθαμε αρκετά καλά τον πλανήτη μας. Αλλά κάθε χρόνο βρίσκουν νέα ορυκτά. Μερικές φορές η δομή τους μπορεί ακόμη και να υποτεθεί ότι οι ακτινογραφίες δεν θα λειτουργήσουν.
2. Πολλοί επιστήμονες προσπαθούν να βελτιώσουν τις ιδιότητες των υπαρχόντων υλικών. Οι ουσίες αυτές υπόκεινται σε διαφορετικούς τύπους επεξεργασίας (πίεση, θερμοκρασία, λέιζερ κ.λπ.). Μερικές φορές τα στοιχεία προστίθενται ή αφαιρούνται από τη δομή τους. Για να κατανοήσουμε ποιες εσωτερικές αναδιατάξεις έχουν συμβεί σε αυτή την περίπτωση, η περίθλαση των ακτίνων Χ σε κρυστάλλους θα βοηθήσει.
3. Για ορισμένες εφαρμογές (για παράδειγμα, για ενεργά μέσα λέιζερ, κάρτες μνήμης, οπτικά στοιχεία συστημάτων παρακολούθησης), οι κρύσταλλοι πρέπει να πληρούν με μεγάλη ακρίβεια τις απαιτήσεις. Επομένως, η δομή τους ελέγχεται χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο.
4. Η περίθλαση ακτίνων Χ είναι ο μόνος τρόπος για να μάθετε πόσες και ποιες φάσεις έχουν ληφθεί στη σύνθεση σε συστήματα πολλαπλών στοιχείων. Τα κεραμικά στοιχεία της σύγχρονης τεχνολογίας μπορούν να χρησιμεύσουν ως παράδειγμα τέτοιων συστημάτων. Η παρουσία ανεπιθύμητων φάσεων μπορεί να έχει σοβαρές συνέπειες.

Διαστημική έρευνα

Πολλοί άνθρωποι ρωτούν: "Γιατί χρειαζόμαστε τεράστια παρατηρητήρια στην τροχιά της Γης, γιατί χρειαζόμαστε ένα rover, αν η ανθρωπότητα δεν έχει λύσει ακόμα τα προβλήματα της φτώχειας και του πολέμου";

Όλοι θα έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, αλλά είναι προφανές ότι η ανθρωπότητα πρέπει να έχει ένα όνειρο.

Επομένως, κοιτάζοντας τα αστέρια, σήμερα μπορούμε να πούμε με σιγουριά: γνωρίζουμε περισσότερα για αυτά κάθε μέρα.

Οι ακτίνες Χ από διαδικασίες που συμβαίνουν στο διάστημα δεν φτάνουν στην επιφάνεια του πλανήτη μας, απορροφώνται από την ατμόσφαιρα. Αλλά αυτό το μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος μεταφέρει πολλά δεδομένα για φαινόμενα με υψηλές ενέργειες. Επομένως, τα όργανα που μελετούν τις ακτινογραφίες πρέπει να αφαιρεθούν από τη Γη σε τροχιά. Οι υπάρχοντες σταθμοί μελετούν επί του παρόντος τα ακόλουθα αντικείμενα:

• Υπολείμματα εκρήξεων σουπερνόβα.
• Τα κέντρα των γαλαξιών.
• Αστέρια νετρονίων.
• Μαύρες τρύπες.
• Συγκρούσεις μαζικών αντικειμένων (γαλαξίες, ομάδες γαλαξιών).

Παραδόξως, για διαφορετικά έργα, η πρόσβαση στους σταθμούς αυτούς παρέχεται στους φοιτητές και ακόμη και στους μαθητές. Μελετούν τις ακτίνες Χ από το βαθύ διάστημα: διάθλαση, παρεμβολή, φάσμα γίνεται το θέμα του ενδιαφέροντός τους. Και κάποιοι πολύ νέοι χρήστες αυτών των παρατηρητηρίων διαστήματος κάνουν ανακαλύψεις. Ο σχολαστικός αναγνώστης μπορεί, βεβαίως, να υποστηρίξει ότι έχουν ακριβώς χρόνο να τραβήξουν φωτογραφίες με μεγάλες αναλύσεις και να δουν λεπτομέρειες. Και φυσικά, η σημασία των ανακαλύψεων, κατά κανόνα, γίνεται κατανοητή μόνο από σοβαρούς αστρονομικούς επιστήμονες. Αλλά τέτοιες περιπτώσεις εμπνέουν τους νέους να αφιερώσουν τη ζωή τους στην εξερεύνηση του εξωτερικού χώρου. Και αυτός ο στόχος αξίζει να ακολουθήσει.

Έτσι, τα επιτεύγματα του Wilhelm Konrad Roentgen έχουν ανοίξει την πρόσβαση στην αστρική γνώση και την ικανότητα να κατακτήσει άλλους πλανήτες.