See artikkel sisaldab sellise asja kirjeldust nagu röntgendifraktsioon. Siin selgitatakse selle nähtuse füüsikalist alust ja selle rakendusi.
Uute materjalide loomise tehnoloogiad
Innovatsioon, nanotehnoloogia on kaasaegse maailma trend. Uudised on täis teateid uutest revolutsioonilistest materjalidest. Kuid vähesed inimesed mõtlevad sellele, millist tohutut uurimisaparaati vajavad teadlased, et olemasolevaid tehnoloogiaid vähem alt veidi parandada. Üks põhinähtustest, mis aitab inimestel seda teha, on röntgendifraktsioon.
Elektromagnetkiirgus
Esm alt peate selgitama, mis on elektromagnetkiirgus. Iga liikuv laetud keha tekitab enda ümber elektromagnetvälja. Need väljad läbivad kõike ümbritsevat, isegi süvakosmose vaakum pole neist vaba. Kui sellises väljas esineb perioodilisi häireid, mis võivad ruumis levida, nimetatakse neid elektromagnetkiirguseks. Selle kirjeldamiseks kasutatakse selliseid mõisteid nagu lainepikkus, sagedus ja selle energia. See, mis on energia, on intuitiivne ja lainepikkus on vaheline kaugusidentsed faasid (näiteks kahe kõrvuti asetseva maksimumi vahel). Mida suurem on lainepikkus (ja vastav alt ka sagedus), seda väiksem on selle energia. Tuletage meelde, et need mõisted on vajalikud, et lühid alt ja lühid alt kirjeldada, mis on röntgendifraktsioon.
Elektromagnetiline spekter
Kõik erinevad elektromagnetilised kiired sobivad spetsiaalsele skaalale. Olenev alt lainepikkusest eristavad nad (pikimast lühemani):
- raadiolained;
- terahertsilained;
- infrapunalained;
- nähtavad lained;
- ultraviolettlained;
- Röntgeni lained;
- gammakiirgus.
Seega on meid huvitaval kiirgusel väga lühike lainepikkus ja kõrgeimad energiad (sellepärast nimetatakse seda mõnikord kõvaks). Seetõttu jõuame lähemale sellele, et kirjeldada, mis on röntgendifraktsioon.
Röntgenkiirte päritolu
Mida suurem on kiirgusenergia, seda keerulisem on seda kunstlikult hankida. Lõkke teinud inimene saab palju infrapunakiirgust, sest see kannab soojust edasi. Kuid selleks, et röntgenkiirte difraktsioon ruumiliste struktuuride poolt toimuks, tuleb teha palju pingutusi. Niisiis vabaneb selline elektromagnetkiirgus, kui elektron lüüakse tuuma lähedal asuva aatomi kestast välja. Ülal paiknevad elektronid kipuvad täitma tekkinud auku, nende üleminekuid ja andma röntgeni footoneid. Samuti massiga laetud osakeste järsu aeglustamise ajal (näitekselektronid), toodetakse neid suure energiaga kiireid. Seega kaasneb röntgenikiirguse difraktsiooniga kristallvõrele küll altki suure energiahulga kulu.
Tööstuslikus mastaabis saadakse see kiirgus järgmiselt:
- Katood kiirgab suure energiaga elektroni.
- Elektron põrkab kokku anoodi materjaliga.
- Elektron aeglustab järsult (samal ajal kiirgab röntgenikiirgust).
- Teisel juhul lööb aeglustav osake aatomi madal alt orbiidilt anoodimaterjalist välja elektroni, mis tekitab samuti röntgenikiirgust.
Samuti on vaja mõista, et nagu igal teisel elektromagnetkiirgusel, on ka röntgenikiirgusel oma spekter. Seda kiirgust kasutatakse üsna laialdaselt. Kõik teavad, et luumurdu või massi kopsudes otsitakse röntgenikiirte abil.
Kristallilise aine struktuur
Nüüd oleme lähedal sellele, mis on röntgendifraktsiooni meetod. Selleks on vaja selgitada, kuidas tahke keha on paigutatud. Teaduses nimetatakse tahkeks kehaks mis tahes kristalses olekus ainet. Puit, savi või klaas on tahked, kuid neil puudub peamine: perioodiline struktuur. Kuid kristallidel on see hämmastav omadus. Juba selle nähtuse nimi sisaldab selle olemust. Kõigepe alt peate mõistma, et kristalli aatomid on jäig alt fikseeritud. Nendevahelised sidemed on teatud määral elastsed, kuid need on liiga tugevad, et aatomid sees ringi liiguksid.restid. Sellised episoodid on võimalikud, kuid väga tugeva välismõjuga. Näiteks kui metallkristall on painutatud, tekivad selles erinevat tüüpi punktdefektid: mõnes kohas lahkub aatom oma koh alt, moodustades vaba koha, teisal liigub see valedesse kohtadesse, moodustades interstitsiaalse defekti. Painde kohas kaotab kristall oma sihvaka kristalse struktuuri, muutub väga defektseks, lahti. Seetõttu on parem mitte kasutada ühekordselt painutatud kirjaklambrit, kuna metall on oma omadused kaotanud.
Kui aatomid on jäig alt fikseeritud, ei saa neid enam üksteise suhtes juhuslikult paigutada, nagu vedelikes. Nad peavad end organiseerima nii, et nende suhtluse energia oleks minimaalne. Seega reastuvad aatomid võre. Igas võres on minimaalne aatomite komplekt, mis on ruumis erilisel viisil paigutatud - see on kristalli elementaarrakk. Kui edastame selle täielikult, st ühendame servad üksteisega, nihutades suvalises suunas, saame kogu kristalli. Siiski tasub meeles pidada, et see on mudel. Igal tõelisel kristallil on vigu ja absoluutselt täpset tõlget on peaaegu võimatu saavutada. Kaasaegsed räni mäluelemendid on ideaalsete kristallide lähedased. Nende hankimine nõuab aga uskumatult palju energiat ja muid ressursse. Laboris saavad teadlased mitmesuguseid täiuslikke struktuure, kuid reeglina on nende loomise kulud liiga suured. Kuid me eeldame, et kõik kristallid on ideaalsed: ükskõik millisessuunas, asuvad samad aatomid üksteisest samal kaugusel. Seda struktuuri nimetatakse kristallvõreks.
Kristallide struktuuri uurimine
Sellest tulenev alt on kristallide röntgendifraktsioon võimalik. Kristallide perioodiline struktuur loob neis teatud tasapinnad, milles on aatomeid rohkem kui teistes suundades. Mõnikord on need tasapinnad seatud kristallvõre sümmeetria, mõnikord aatomite omavahelise paigutuse järgi. Igale lennukile on määratud oma tähistus. Tasapindade vahelised kaugused on väga väikesed: mitme angströmi suurusjärgus (meenutagem, angstrom on 10-10 meeter ehk 0,1 nanomeeter).
Kuid igas päris kristallis, isegi väga väikeses, on palju samasuunalisi tasapindu. Röntgendifraktsioon meetodina kasutab seda asjaolu: kõik samasuunalistel tasanditel suunda muutnud lained summeeritakse, andes väljundis üsna selge signaali. Nii saavad teadlased mõista, millistes suundades need tasapinnad kristalli sees asuvad, ja hinnata kristalli struktuuri sisemist struktuuri. Nendest andmetest üksi aga ei piisa. Lisaks kaldenurgale peate teadma ka tasapindade vahelist kaugust. Ilma selleta saate tuhandeid erinevaid struktuurimudeleid, kuid te ei tea täpset vastust. Sellest, kuidas teadlased lennukitevahelise kauguse kohta teada saavad, arutatakse allpool.
Difraktsiooninähtus
Oleme juba andnud füüsikalise põhjenduse selle kohta, mis on röntgendifraktsioon kristallide ruumilisel võrel. Kuid me ei ole veel selgitanud olemustdifraktsiooninähtused. Niisiis on difraktsioon takistuste ümardamine lainete (sh elektromagnetiliste) abil. See nähtus näib olevat lineaaroptika seaduse rikkumine, kuid see pole nii. See on tihed alt seotud näiteks footonite interferentsi ja laineomadustega. Kui valguse teel on takistus, siis difraktsiooni tõttu võivad footonid nurga taha “vaadata”. Kui kaugele valguse suund sirgest liigub, sõltub takistuse suurusest. Mida väiksem on takistus, seda lühem peaks olema elektromagnetlaine pikkus. Sellepärast teostatakse monokristallide röntgendifraktsioon nii lühikeste lainete abil: tasandite vaheline kaugus on väga väike, optilised footonid lihts alt ei "rooma" nende vahel, vaid peegelduvad ainult pinn alt.
Selline mõiste on tõsi, kuid tänapäeva teaduses peetakse seda liiga kitsaks. Selle määratluse laiendamiseks ja üldiseks eruditsiooniks esitame meetodid laine difraktsiooni avaldumiseks.
- Lainete ruumilise struktuuri muutmine. Näiteks lainekiire levinurga laienemine, laine või lainete jada kõrvalekaldumine mõnes eelistatud suunas. Just sellesse nähtuste klassi kuulub laine painutamine ümber takistuste.
- Lainete lagunemine spektriks.
- Laine polarisatsiooni muutus.
- Lainete faasistruktuuri teisendamine.
Difraktsiooninähtus koos häiretega on vastutav selle eest, et kui valguskiir suunatakse selle taga olevasse kitsasse pilusse, ei näe me mitte ühte, vaid mitutvalguse maksimumid. Mida kaugemal on maksimum pesa keskelt, seda kõrgem on selle järjestus. Lisaks jagatakse katse õige seadistuse korral tavalise õmblusnõela (muidugi õhukese) vari mitmeks triibuks ja täpselt nõela taga jälgitakse valguse maksimumi, mitte miinimumi.
Wulf-Braggi valem
Oleme juba eespool öelnud, et lõppsignaal on kõigi röntgeni footonite summa, mis peegelduvad kristalli sees sama kaldega tasanditelt. Kuid üks oluline seos võimaldab teil struktuuri täpselt arvutada. Ilma selleta oleks röntgendifraktsioon kasutu. Wulf-Braggi valem näeb välja selline: 2dsinƟ=nλ. Siin d on ühesuguse kaldenurgaga tasapindade vaheline kaugus, θ on pilgunurk (Braggi nurk) või langemisnurk tasapinnal, n on difraktsioonimaksimumi järjekord, λ on lainepikkus. Kuna on ette teada, millist röntgenispektrit kasutatakse andmete saamiseks ja millise nurga all see kiirgus langeb, võimaldab see valem välja arvutada d väärtuse. Oleme juba pisut kõrgem alt öelnud, et ilma selle teabeta on võimatu aine struktuuri täpselt saada.
Röntgendifraktsiooni kaasaegne rakendus
Tekib küsimus: millistel juhtudel on seda analüüsi vaja, kas teadlased pole struktuurimaailmas kõike juba läbi uurinud ja kas inimesed ei eelda põhimõtteliselt uusi aineid hankides, milline tulemus neid ees ootab ? Vastuseid on neli.
- Jah, me õppisime oma planeeti üsna hästi tundma. Kuid igal aastal leitakse uusi mineraale. Mõnikord on nende struktuur ühtlanearvan, et ilma röntgenita ei tööta.
- Paljud teadlased püüavad parandada juba olemasolevate materjalide omadusi. Neid aineid töödeldakse erineval viisil (rõhk, temperatuur, laserid jne). Mõnikord lisatakse elemente nende struktuuri või eemaldatakse sellest. Röntgendifraktsioon kristallidel aitab mõista, millised sisemised ümberkorraldused sel juhul toimusid.
- Mõnede rakenduste jaoks (nt aktiivmeediumid, laserid, mälukaardid, seiresüsteemide optilised elemendid) peavad kristallid olema väga täpselt sobitatud. Seetõttu kontrollitakse nende struktuuri selle meetodi abil.
- Röntgendifraktsioon on ainus viis teada saada, kui palju ja milliseid faase saadi sünteesi käigus mitmekomponentsetes süsteemides. Selliste süsteemide näideteks võivad olla kaasaegse tehnoloogia keraamilised elemendid. Soovimatute faaside olemasolu võib põhjustada tõsiseid tagajärgi.
Kosmoseuuringud
Paljud inimesed küsivad: "Miks on meil vaja Maa orbiidil tohutuid vaatluskeskusi, milleks on vaja kulgurit, kui inimkond pole veel vaesuse ja sõja probleeme lahendanud?"
Igaühel on oma põhjused poolt ja vastu, kuid on selge, et inimkonnal peab olema unistus.
Seega, vaadates tähti, võime täna kindl alt öelda: me teame neist iga päevaga aina rohkem.
Röntgenikiirgus kosmoses toimuvatest protsessidest ei jõua meie planeedi pinnale, vaid neeldub atmosfääris. Aga see osaElektromagnetiline spekter kannab palju andmeid suure energiaga nähtuste kohta. Seetõttu tuleb röntgenikiirgust uurivad instrumendid viia Maast välja, orbiidile. Praegu uurivad olemasolevad jaamad järgmisi objekte:
- supernoova plahvatuste jäänused;
- galaktikate keskused;
- neutrontähed;
- mustad augud;
- massiivsete objektide (galaktikad, galaktikate rühmad) kokkupõrked.
Üllatuslikult on erinevate projektide kohaselt juurdepääs nendele jaamadele tagatud õpilastele ja isegi koolilastele. Nad uurivad süvakosmosest tulevaid röntgenikiirgusid: nende huviobjektiks saavad difraktsioon, interferents, spekter. Ja mõned väga noored nende kosmoseobservatooriumite kasutajad teevad avastusi. Pedantne lugeja võib muidugi vastu vaielda, et tal on lihts alt aega kõrgresolutsiooniga pilte vaadata ja peeneid detaile märgata. Ja muidugi mõistavad avastuste tähtsust reeglina ainult tõsised astronoomid. Kuid sellised juhtumid inspireerivad noori pühendama oma elu kosmoseuuringutele. Ja see eesmärk on püüdlemist väärt.
Seega avasid Wilhelm Conrad Roentgeni saavutused juurdepääsu tähtede teadmistele ja võimaluse vallutada teisi planeete.
