Ovaj članak sadrži opis takve stvari kao što je difrakcija rendgenskih zraka. Ovdje su objašnjene fizičke osnove ovog fenomena i njegove primjene.
Tehnologije za kreiranje novih materijala
Inovacija, nanotehnologija je trend modernog svijeta. Vijesti su pune izvještaja o novim revolucionarnim materijalima. Ali malo ljudi razmišlja o tome kakav ogroman istraživački aparat treba naučnicima da stvore barem malo poboljšanje u postojećim tehnologijama. Jedan od fundamentalnih fenomena koji ljudima pomažu u tome je difrakcija rendgenskih zraka.
Elektromagnetno zračenje
Prvo morate objasniti šta je elektromagnetno zračenje. Svako pokretno naelektrisano tijelo stvara oko sebe elektromagnetno polje. Ova polja prožimaju sve oko sebe, čak ni vakuum dubokog svemira nije oslobođen od njih. Ako u takvom polju postoje periodične perturbacije koje se mogu širiti u prostoru, one se nazivaju elektromagnetno zračenje. Za njegovo opisivanje koriste se koncepti kao što su valna dužina, frekvencija i njegova energija. Ono što je energija je intuitivno, a talasna dužina je udaljenost između njihidentične faze (na primjer, između dva susjedna maksimuma). Što je veća talasna dužina (i, shodno tome, frekvencija), to je manja njena energija. Podsjetimo da su ovi koncepti neophodni da se sažeto i sažeto opiše šta je difrakcija rendgenskih zraka.
Elektromagnetski spektar
Sva raznolikost elektromagnetnih zraka stane na posebnu vagu. U zavisnosti od talasne dužine razlikuju (od najduže do najkraće):
- radio talasi;
- teraherc valovi;
- infracrveni talasi;
- vidljivi valovi;
- ultraljubičasti talasi;
- Rentgenski talasi;
- gama zračenje.
Dakle, zračenje koje nas zanima ima vrlo kratku talasnu dužinu i najveću energiju (zbog čega se ponekad naziva i tvrdim). Stoga smo sve bliži opisu šta je difrakcija rendgenskih zraka.
Porijeklo X-zraka
Što je energija zračenja veća, to je teže dobiti veštački. Nakon što zapali vatru, osoba prima puno infracrvenog zračenja, jer ono prenosi toplinu. Ali da bi došlo do difrakcije rendgenskih zraka na prostornim strukturama, mora se uložiti mnogo truda. Dakle, ova vrsta elektromagnetnog zračenja se oslobađa kada se elektron izbije iz ljuske atoma, koja je blizu jezgra. Elektroni koji se nalaze iznad imaju tendenciju da popune nastalu rupu, svoje prijelaze i daju rendgenske fotone. Takođe, tokom oštrog usporavanja naelektrisanih čestica mase (npr.elektrona), proizvode se ovi visokoenergetski snopovi. Dakle, difrakcija X-zraka na kristalnoj rešetki je praćena utroškom prilično velike količine energije.
U industrijskoj skali, ovo zračenje se dobija na sledeći način:
- Katoda emituje elektron visoke energije.
- Elektron se sudara sa materijalom anode.
- Elektron naglo usporava (dok emituje X-zrake).
- U drugom slučaju, čestica koja usporava, izbacuje elektron iz niske orbite atoma iz materijala anode, što takođe generiše X-zrake.
Takođe je potrebno razumjeti da, kao i svako drugo elektromagnetno zračenje, X-zrake imaju svoj vlastiti spektar. Samo ovo zračenje se koristi prilično široko. Svi znaju da se uz pomoć rendgenskih zraka traži slomljena kost ili masa u plućima.
Struktura kristalne supstance
Sada se približavamo onome što je metoda difrakcije rendgenskih zraka. Da biste to učinili, potrebno je objasniti kako je raspoređeno čvrsto tijelo. U nauci se čvrstim tijelom naziva svaka supstanca u kristalnom stanju. Drvo, glina ili staklo su čvrsti, ali im nedostaje glavna stvar: periodična struktura. Ali kristali imaju ovo neverovatno svojstvo. Sam naziv ovog fenomena sadrži njegovu suštinu. Prvo morate shvatiti da su atomi u kristalu čvrsto fiksirani. Veze između njih imaju određeni stepen elastičnosti, ali su previše jake da bi se atomi mogli kretati unutra.rešetke. Takve epizode su moguće, ali uz vrlo jak vanjski utjecaj. Na primjer, ako je metalni kristal savijen, u njemu se formiraju točkasti defekti različitih vrsta: na nekim mjestima atom napušta svoje mjesto, stvarajući prazno mjesto, na drugim se pomiče u pogrešne položaje, formirajući međuprostorni defekt. Na mjestu savijanja kristal gubi svoju vitku kristalnu strukturu, postaje vrlo defektan, labav. Zbog toga je bolje da ne koristite spajalicu koja je jednom savijena, jer je metal izgubio svojstva.
Ako su atomi čvrsto fiksirani, više ne mogu biti nasumično raspoređeni jedan u odnosu na drugi, kao u tekućinama. Moraju se organizirati na takav način da minimiziraju energiju svoje interakcije. Dakle, atomi se poredaju u rešetku. U svakoj rešetki postoji minimalni skup atoma raspoređenih na poseban način u prostoru - ovo je elementarna ćelija kristala. Ako ga emitujemo u potpunosti, odnosno kombiniramo rubove jedne s drugima, pomičući se u bilo kojem smjeru, dobit ćemo cijeli kristal. Međutim, vrijedi zapamtiti da je ovo model. Svaki pravi kristal ima nedostatke i gotovo je nemoguće postići apsolutno tačan prijevod. Moderne silikonske memorijske ćelije su blizu idealnim kristalima. Međutim, njihovo dobijanje zahtijeva nevjerovatne količine energije i drugih resursa. U laboratoriji naučnici dobijaju savršene strukture raznih vrsta, ali su, po pravilu, troškovi njihove izrade previsoki. Ali pretpostavit ćemo da su svi kristali idealni: u bilo kojemsmjeru, isti atomi će se nalaziti na istoj udaljenosti jedan od drugog. Ova struktura se zove kristalna rešetka.
Proučavanje kristalne strukture
Usled ove činjenice je moguća difrakcija rendgenskih zraka na kristalima. Periodična struktura kristala stvara određene ravni u njima, u kojima ima više atoma nego u drugim pravcima. Ponekad su ove ravni postavljene simetrijom kristalne rešetke, ponekad međusobnim rasporedom atoma. Svakom avionu je dodeljena sopstvena oznaka. Udaljenosti između aviona su vrlo male: reda nekoliko angstroma (podsjetimo, angstrom je 10-10 metara ili 0,1 nanometar).
Međutim, postoji mnogo ravni istog pravca u svakom stvarnom kristalu, čak i u vrlo malom. Difrakcija rendgenskih zraka kao metoda koristi ovu činjenicu: svi valovi koji su promijenili smjer na ravnima istog smjera se sumiraju, dajući prilično jasan signal na izlazu. Tako naučnici mogu razumjeti u kojim smjerovima se te ravni nalaze unutar kristala i prosuditi o unutrašnjoj strukturi kristalne strukture. Međutim, sami ovi podaci nisu dovoljni. Osim ugla nagiba, potrebno je znati i udaljenost između ravnina. Bez toga možete dobiti hiljade različitih modela strukture, ali ne znate tačan odgovor. Kako naučnici saznaju o udaljenosti između aviona bit će razmotreni u nastavku.
Fenomen difrakcije
Već smo dali fizičko opravdanje šta je difrakcija rendgenskih zraka na prostornoj rešetki kristala. Međutim, suštinu još nismo objasnilifenomeni difrakcije. Dakle, difrakcija je zaokruživanje prepreka valovima (uključujući i elektromagnetne). Čini se da ova pojava predstavlja kršenje zakona linearne optike, ali nije. To je usko povezano sa interferencijom i valnim svojstvima, na primjer, fotona. Ako postoji prepreka na putu svjetlosti, onda zbog difrakcije, fotoni mogu "gledati" iza ugla. Koliko smjer svjetlosti putuje od prave linije ovisi o veličini prepreke. Što je prepreka manja, dužina elektromagnetnog talasa bi trebala biti kraća. Zbog toga se difrakcija rendgenskih zraka na monokristalima izvodi pomoću tako kratkih valova: udaljenost između ravnina je vrlo mala, optički fotoni jednostavno neće "puzati" između njih, već će se samo reflektirati od površine.
Takav koncept je istinit, ali se u modernoj nauci smatra preuskim. Za proširenje njegove definicije, kao i za opštu erudiciju, predstavljamo metode za ispoljavanje difrakcije talasa.
- Promena prostorne strukture talasa. Na primjer, širenje ugla širenja talasnog snopa, skretanje talasa ili niza talasa u nekom željenom pravcu. Ovoj klasi fenomena pripada savijanje talasa oko prepreka.
- Razlaganje talasa u spektar.
- Promena polarizacije talasa.
- Transformacija fazne strukture talasa.
Fenomen difrakcije, zajedno sa interferencijom, odgovoran je za činjenicu da kada se snop svjetlosti usmjeri na uski prorez iza njega, vidimo ne jedan, već nekolikosvjetlosni maksimumi. Što je maksimum udaljeniji od sredine utora, to je njegov redoslijed veći. Osim toga, uz ispravnu postavku eksperimenta, sjena od obične igle za šivenje (naravno, tanke) se dijeli na nekoliko pruga, a svjetlosni maksimum se uočava tačno iza igle, a ne minimum.
Wulf-Bragg formula
Već smo rekli iznad da je konačni signal zbir svih rendgenskih fotona koji se odbijaju od ravnina sa istim nagibom unutar kristala. Ali jedan važan odnos omogućava vam da precizno izračunate strukturu. Bez toga bi difrakcija rendgenskih zraka bila beskorisna. Wulf-Braggova formula izgleda ovako: 2dsinƟ=nλ. Ovdje je d razmak između ravnina sa istim uglom nagiba, θ je ugao gledanja (Braggov ugao), ili upadni ugao na ravninu, n je red difrakcionog maksimuma, λ je valna dužina. Pošto je unapred poznato koji rendgenski spektar se koristi za dobijanje podataka i pod kojim uglom ovo zračenje pada, ova formula nam omogućava da izračunamo vrednost d. Već smo malo više rekli da je bez ovih informacija nemoguće precizno dobiti strukturu supstance.
Moderna primjena difrakcije rendgenskih zraka
Postavlja se pitanje: u kojim slučajevima je potrebna ova analiza, zar naučnici nisu već istražili sve u svijetu strukture, i zar ljudi, kada dobiju fundamentalno nove supstance, ne pretpostavljaju kakav ih rezultat čeka ? Postoje četiri odgovora.
- Da, dobro smo upoznali našu planetu. Ali svake godine se pronađu novi minerali. Ponekad je njihova struktura ujednačenapretpostavljam da bez rendgenskih snimaka neće raditi.
- Mnogi naučnici pokušavaju da poboljšaju svojstva već postojećih materijala. Ove supstance se podvrgavaju raznim vrstama obrade (pritisak, temperatura, laseri itd.). Ponekad se elementi dodaju ili uklanjaju iz njihove strukture. Difrakcija rendgenskih zraka na kristalima će pomoći da se shvati do kakvih je unutrašnjih preuređivanja došlo u ovom slučaju.
- Za neke primjene (npr. aktivni mediji, laseri, memorijske kartice, optički elementi nadzornih sistema), kristali moraju biti vrlo precizno usklađeni. Stoga se njihova struktura provjerava ovom metodom.
- Difrakcija rendgenskih zraka je jedini način da se sazna koliko i koje faze je dobijeno tokom sinteze u višekomponentnim sistemima. Kao primjer ovakvih sistema mogu poslužiti keramički elementi moderne tehnologije. Prisustvo neželjenih faza može dovesti do ozbiljnih posljedica.
Istraživanje svemira
Mnogi ljudi pitaju: "Zašto su nam potrebne ogromne opservatorije u Zemljinoj orbiti, zašto nam treba rover ako čovječanstvo još nije riješilo probleme siromaštva i rata?"
Svako ima svoje razloge za i protiv, ali je jasno da čovječanstvo mora imati san.
Zato, gledajući u zvijezde, danas možemo sa sigurnošću reći: svakim danom znamo sve više o njima.
X-zraci iz procesa koji se dešavaju u svemiru ne dopiru do površine naše planete, već ih upija atmosfera. Ali ovaj dioElektromagnetski spektar nosi mnogo podataka o visokoenergetskim fenomenima. Stoga instrumenti koji proučavaju X-zrake moraju biti izneti iz Zemlje, u orbitu. Trenutno postojeće stanice proučavaju sljedeće objekte:
- ostaci eksplozija supernove;
- centri galaksija;
- neutronske zvijezde;
- crne rupe;
- sudari masivnih objekata (galaksije, grupe galaksija).
Iznenađujuće, prema različitim projektima, pristup ovim stanicama omogućen je studentima, pa čak i školarcima. Proučavaju X-zrake koje dolaze iz dubokog svemira: difrakcija, interferencija, spektar postaju predmet njihovog interesovanja. I neki vrlo mladi korisnici ovih svemirskih opservatorija dolaze do otkrića. Pažljivi čitalac može, naravno, prigovoriti da samo imaju vremena da pogledaju slike visoke rezolucije i primjete suptilne detalje. I naravno, važnost otkrića, po pravilu, razumiju samo ozbiljni astronomi. Ali takvi slučajevi inspirišu mlade ljude da svoje živote posvete istraživanju svemira. I ovaj cilj vrijedi slijediti.
Tako su dostignuća Wilhelma Conrada Roentgena otvorila pristup zvjezdanom znanju i sposobnosti osvajanja drugih planeta.
