Kaj je rentgenska difrakcija?

Ta članek opisuje koncept, kot je rentgenska difrakcija. To pojasnjuje fizično osnovo tega pojava in njegovo uporabo.

Tehnologije za ustvarjanje novih materialov

Inovacija, nanotehnologija je trend sodobnega sveta. Novica je polna poročil o novih revolucionarnih gradivih. Toda malo ljudi se sprašuje, zakaj znanstveniki zahtevajo ogromen raziskovalni aparat, da bi ustvarili vsaj malo izboljšanje obstoječih tehnologij. Eden od temeljnih pojavov, ki ljudem pomagajo pri tem je rentgenska difrakcija.

Elektromagnetno sevanje

Najprej morate pojasniti, kaj je elektromagnetno sevanje. Vsako gibljivo napolnjeno telo ustvari elektromagnetno polje okoli sebe. Ta polja prežemajo vse, tudi vakuum globokega prostora ni brez njih. Če na takšnem področju nastanejo občasne motnje, ki se lahko razprostirajo v prostoru, se imenujejo elektromagnetna sevanje. Za opis se uporabljajo taki koncepti kot valovna dolžina, frekvenca in njegova energija. Energija je intuitivno razumljiva in valovna dolžina je razdalja med enakimi fazami (na primer med dvema sosednjima maksimama). Višja je valovna dolžina (in s tem tudi frekvenca), nižja je njegova energija. Spomnimo, ti koncepti so potrebni za opis, kaj je rentgenska difrakcija kratka in prostorna.

Elektromagnetni spekter

Vsa raznolikost elektromagnetnih žarkov se prilega posebnemu merilu. Odvisno od valovne dolžine razlikujemo (od najdaljšega do najkrajšega):

• radijski valovi;
• terahertz valovi;
• infrardeči valovi;
• vidni valovi;
• ultravijolični valovi;
• Rentgenski valovi;
• gama sevanja.

Tako sevajoče zanimanje za nas ima zelo kratko valovno dolžino in najvišjo energijo (zato se včasih imenuje tudi trdo). Zato se približujemo opisu, kaj je rentgenska difrakcija.

Poreklo rentgenskih žarkov

Višja je energija sevanja, bolj težko je pridobiti umetno. Po ločitvi požara oseba prejme veliko IR sevanja, ker prenaša toploto. Toda, da bi prišlo do rentgenske difrakcije na prostorskih strukturah, je treba storiti veliko dela. Torej, to vrsto elektromagnetnega sevanja sprosti, če ste knock out elektron iz lupine atom, ki je blizu jedra. Elektroni, ki se nahajajo zgoraj, nagibajo k zapolnitvi nastale luknje, njihovim prehodom in rentgenskim fotonom. Tudi z močno zaviranjem nabranih delcev, ki imajo maso (npr. Elektrone), se ti visokoenergetski žarki proizvajajo. Tako difrakcijo rentgenskih žarkov na kristalni rešetki spremljata izdatki dovolj velike količine energije.

To industrijsko sevanje se pridobi na naslednji način:

1. Katoda oddaja elektron z visoko energijo.
2. Elektron trči z anodnim materialom.
3. Electron nenadoma zavira (istočasno oddaja rentgenske žarke).
4. V drugem primeru retardni delec tvori elektron iz nizke orbite atoma iz anodnega materiala, ki prav tako ustvarja rentgen.

Prav tako je treba razumeti, da ima rentgenski žarek, tako kot vsako drugo elektromagnetno sevanje, tudi svoj spekter. Sama sevanja se uporablja dovolj široko. Vsi vedo, da se zlomljena kost ali tvorba v pljučih išče s pomočjo rentgenskih žarkov.

Struktura kristalne substance

Zdaj smo zelo blizu, kaj je metoda rentgenske difrakcije. Če želite to narediti, pojasnijte, kako je urejeno trdno telo. V znanosti se trdno telo imenuje katerakoli snov v kristalnem stanju. Les, glina ali steklo so trdne, vendar nimajo glavnega: občasne strukture. Toda kristali imajo to neverjetno lastnost. Ime tega fenomena vsebuje njegovo bistvo. Za začetek moramo razumeti, da so atomi v kristalu trdno pritrjeni. Vezi med njimi imajo določeno stopnjo elastičnosti, vendar so preveč močne, da se atomi gibljejo znotraj rešetke. Take epizode so možne, vendar z zelo močnim zunanjim učinkom. Na primer, če je kovinski kristal ovinka, tvorjene v točkastih defektov različnih tipov: ponekod atomom ohrani svoj sedež, ki tvori položaj, v drugi - se premakne v napačen položaj, ki tvori vnos okvara. Na točki upogibanja kristal izgubi svojo vitko kristalno strukturo, postane zelo pomanjkljiv, ohlapen. Zato je posnetek, ki je bil enkrat neuporaben, bolje uporabiti, saj je kovina izgubila svoje lastnosti.

Če so atomi trdno pritrjeni, jih ni več mogoče postaviti drug proti drugemu kaotično, kot v tekočinah. Morajo biti organizirani tako, da zmanjšajo energijo svoje interakcije. Tako so atomi poravnani v rešetki. V vsaki rešetki je minimalen nabor atomov, še posebej v prostoru, elementarna celica kristala. Če je v celoti oddaja, to je, da se robovi združi med seboj, ki se gibljejo v kateri koli smeri, dobimo celoten kristal. Vendar pa je treba spomniti, da je to model. Vsak pravi kristal ima pomanjkljivosti in skorajda nemogoče doseči absolutno natančno oddajo. Moderni silikonski elementi spomina so blizu popolnih kristalov. Vendar pa pridobivanje le-teh zahteva neverjetno količino energije in drugih virov. V laboratoriju znanstveniki dobijo popolne strukture različnih vrst, toda praviloma so stroški njihovega ustvarjanja preveliki. Toda predpostavljamo, da so vsi kristali idealni: v kateri koli smeri se isti atomi nahajajo na istih razdaljah drug od drugega. Takšna struktura se imenuje kristalna mreža.

Raziskovanje kristalne strukture

Zahvaljujoč dejstvu, da je rentgenska difrakcija na kristalih možna. Periodična struktura kristalov v njih ustvarja nekaj ravnin, v katerih je več atomov kot v drugih smereh. Včasih so te ploskve podane s simetrijo kristalne rešetke, včasih z vzajemno razporeditvijo atomov. Vsaka letala dobi svojo lastno oznako. Razdalje med ravninami so zelo majhne: po zaporedju nekaj angstromov (recimo angstrom je 10^-10 meter ali 0,1 nanometer).

Vendar pa so ploskve ene smeri v kateremkoli pravem kristalu, celo zelo majhni, veliko. Rentgenska difrakcija kot metoda uporablja to dejstvo: se zbirajo vsi valovi, ki so spremenili smer v ravnini iste smeri, na izhodu pa je dovolj jasen signal. Torej znanstveniki lahko razumejo, v katerih smerih so v notranjosti kristala nahajajo te letale, in presoditi notranjo strukturo kristalne strukture. Vendar pa samo ti podatki niso dovolj. Poleg naklona je potrebno poznati razdaljo med ravninami. Brez tega lahko dobite na tisoče različnih modelov strukture, vendar ne poznate natančnega odgovora. O tem, kako znanstveniki spoznajo razdaljo med letali, bo nekoliko nižja.

Pojav difrakcije

Smo že imeli fizikalne osnove, kaj rentgenske difrakcije na prostorsko mrežo kristalov. Vendar še nismo pojasnili bistva fenomena difrakcije. Torej, difrakcija je ovijanje z valovi (vključno z elektromagnetnimi) ovir. Zdi se, da ta pojav krši zakon linearne optike, vendar to ni tako. Je tesno povezan z motnjami in lastnostmi valov, na primer fotonov. Če lučka pot je vredna ovira, zaradi difrakcije fotonov lahko "videli" za vogalom. Kako daleč je smer širjenja svetlobe iz pravokotnih odstopanj odvisna od velikosti ovire. Manjša je ovira, manjša je dolžina elektromagnetnega valovanja. Zato je rentgenska difrakcija na posameznih kristalov, s pomočjo takšnih kratkih valovnih dolžin: razdalja med ravninami je zelo majhna, optični fotoni se preprosto ne "priti skozi" med njimi, in kaže samo na površini.

Takšen koncept je resničen, vendar se v sodobni znanosti šteje za preozek. Da bi razširili njegovo definicijo, pa tudi za splošno erudijo, podajamo načine za prikaz difuzije valov.

1. Sprememba prostorske strukture valov. Na primer, razširitev kota širjenja valovnega žarka, odklona valov ali številnih valov v izbrani smeri. V tem razredu fenomena gre za prelom valov ovir.
2. Odpad valov v spekter.
3. Sprememba polarizacije valov.
4. Transformacija fazne strukture valov.

Pojav uklona, ​​skupaj z vmešavanjem je odgovoren za to, da smer svetlobnega snopa na ozko režo za njo vidimo in ne enega, ampak več svetlobe vzponi. Čim dlje od sredine reže, višji je njegov red. Tudi kadar je pravilna formulacija poskus senca konvencionalne šivalne igle (naravno tanko) razdeljena na več pasov, pri čemer je igla natančno Opaženo maksimalno svetlobo, ne minimum.

Formula Wolf-Bragg

Že zgoraj smo povedali, da je končni signal sestavljen iz vseh rentgenskih fotonov, ki se odsevajo iz ravnin z enakim nagibom znotraj kristala. Ampak za izračun strukture natančno omogoča eno pomembno razmerje. Brez nje bi bila rentgenska difrakcija neuporabna. Formula Wolf-Bragg izgleda takole: 2dsin = = nlambda-. Tukaj je d razdalja med ravninami z enakim kotom naklona, theta- je kot naklona (Bragg kot) ali kot naklona na ravnini n je zaporedje difrakcijskega maksimuma, lambda- je valovna dolžina. Ker je vnaprej znano, kateri rentgenski spekter se uporablja za pridobivanje podatkov in pod kakšnim kotom pade to sevanje, ta formula omogoča izračun vrednosti d. Nekoliko višje smo že rekli, da brez teh informacij ni mogoče natančno dobiti strukture snovi.

Sodobna uporaba rentgenske difrakcije

Vprašanje se pojavi: v katerih primerih je potrebna ta analiza, znanstveniki niso že preučevali vseh struktur na svetu in ali ljudje, ko dobijo bistveno nove snovi, ne pričakujejo, kakšen rezultat pričakujejo? Obstajajo štirje odgovori.

1. Da, naš planet smo se naučili dovolj dobro. Toda vsako leto najdejo nove minerale. Včasih se njihova struktura lahko celo domneva brez rentgenskih žarkov, ne bo delovala.
2. Mnogi znanstveniki poskušajo izboljšati lastnosti obstoječih materialov. Te snovi so podvržene različnim vrstam obdelave (tlak, temperatura, laserji itd.). Včasih so elementi dodani ali odstranjeni iz njihove strukture. Da bi razumeli, kakšne so notranje preureditve v tem primeru, bo pomagal difrakcija rentgenskih žarkov na kristalih.
3. Za nekatere aplikacije (npr. Za aktivne medije laserskih, pomnilniških, optičnih elementov nadzornih sistemov) morajo kristali natančno izpolnjevati zahteve. Zato se njihova struktura preveri s to metodo.
4. Rentgenska difrakcija je edini način, kako ugotoviti, koliko in katere faze so nastale s sintezo v večkomponentnih sistemih. Kot primer takih sistemov lahko služi tudi keramični elementi sodobne tehnologije. Prisotnost neželenih faz lahko povzroči resne posledice.

Vesoljske raziskave

Mnogi ljudje vprašajo: "Zakaj potrebujemo ogromne observatorije na Zemljini orbiti, zakaj potrebujemo roverja, če človeštvo še ni rešilo težav revščine in vojne?"

Vsi bodo imeli svoje prednosti in slabosti, vendar je očitno, da mora človeštvo imeti sanje.

Zato gledamo na zvezde, danes pa lahko z zaupanjem povemo: vsak dan jih poznamo več.

Rentgenski žarki iz procesov, ki se pojavljajo v vesolju, ne dosežejo površine našega planeta, jih absorbira atmosfera. Toda ta del elektromagnetnega spektra prinaša veliko podatkov o pojavih z visokimi energijami. Zato je treba instrumente, ki preučujejo rentgenske žarke, vzeti iz zemlje v orbito. Obstoječe postaje trenutno preučujejo naslednje predmete:

• ostanki eksplozij supernove;
• središča galaksij;
• nevtronske zvezde;
• črne luknje;
• Trčenja velikih predmetov (galaksije, skupine galaksij).

Presenetljivo je, da se za različne projekte dostop do teh postaj zagotavlja študentom in celo šolarjem. Raziskujejo rentgenske žarke iz globokega prostora: difrakcija, motnje, spekter postajajo predmet njihovega zanimanja. In nekateri zelo mladi uporabniki teh vesoljskih observatorijev dajejo odkritja. Točen bralec lahko seveda trdi, da imajo le dovolj časa za fotografiranje pri velikih resolucijah in si ogledajo subtilne podrobnosti. In seveda, pomembnost odkritij, praviloma razumejo samo resni astronomi. Toda takšni primeri navdihujejo mlade, da svoje življenje posvetijo raziskovanju vesolja. In ta cilj je vreden slediti.

Tako so dosežki Wilhelma Konrada Roentgenja omogočili dostop do zvezdnih znanj in zmožnosti osvajanja drugih planetov.