Ez a cikk egy olyan dolog leírását tartalmazza, mint a röntgendiffrakció. Ennek a jelenségnek a fizikai alapja és alkalmazásai itt találhatók.
Technológiák új anyagok létrehozásához
Az innováció, a nanotechnológia a modern világ trendje. A hírek tele vannak új forradalmi anyagokról szóló jelentésekkel. De kevesen gondolnak arra, hogy a tudósoknak milyen hatalmas kutatóberendezésre van szükségük ahhoz, hogy legalább egy kis fejlesztést hozzanak létre a meglévő technológiákban. Az egyik alapvető jelenség, amely segít az embereknek ebben, a röntgendiffrakció.
Elektromágneses sugárzás
Először is el kell magyaráznia, mi az elektromágneses sugárzás. Minden mozgó töltött test elektromágneses teret hoz létre maga körül. Ezek a mezők mindent átjárnak körülöttük, még a mélyűr vákuuma sem mentes tőlük. Ha egy ilyen térben periodikus zavarok vannak, amelyek terjedhetnek a térben, akkor ezeket elektromágneses sugárzásnak nevezzük. Ennek leírására olyan fogalmakat használnak, mint a hullámhossz, a frekvencia és annak energiája. Mi az energia, az intuitív, a hullámhossz pedig a távolságazonos fázisok (például két szomszédos maximum között). Minél nagyobb a hullámhossz (és ennek megfelelően a frekvencia), annál kisebb az energiája. Emlékezzünk vissza, hogy ezek a fogalmak szükségesek ahhoz, hogy tömören és tömören leírjuk, mi a röntgendiffrakció.
Elektromágneses spektrum
Mindenféle elektromágneses sugárzás egy speciális skálán elfér. A hullámhossztól függően megkülönböztetik (a leghosszabbtól a legrövidebbig):
- rádióhullámok;
- terahertz hullámok;
- infravörös hullámok;
- látható hullámok;
- ultraibolya hullámok;
- Röntgenhullámok;
- gamma-sugárzás.
Így a minket érdeklő sugárzás nagyon rövid hullámhosszú és a legmagasabb energiájú (ezért nevezik néha keménynek). Ezért egyre közelebb kerülünk a röntgendiffrakció leírásához.
A röntgensugarak eredete
Minél nagyobb a sugárzási energia, annál nehezebb mesterségesen előállítani. Tüzet rakva az ember sok infravörös sugárzást kap, mert ez adja át a hőt. De ahhoz, hogy a röntgensugarak térbeli struktúrák általi diffrakciója megtörténjen, sok erőfeszítést kell tenni. Tehát ez a fajta elektromágneses sugárzás akkor szabadul fel, amikor egy elektron kiütődik egy atom héjából, amely közel van az atommaghoz. A fent elhelyezkedő elektronok általában kitöltik a keletkező lyukat, átmeneteiket és röntgenfotonokat adnak. Továbbá a tömeggel rendelkező töltött részecskék éles lassítása során (pl.elektronok), ezek a nagy energiájú nyalábok keletkeznek. Így a röntgensugarak kristályrácson történő diffrakciója meglehetősen nagy energiaráfordítással jár.
Ipari méretekben ezt a sugárzást a következőképpen kapjuk:
- A katód nagy energiájú elektront bocsát ki.
- Az elektron ütközik az anód anyagával.
- Az elektron élesen lelassul (miközben röntgensugarakat bocsát ki).
- Egy másik esetben a lassuló részecske kiüt egy elektront az atom alacsony pályájáról az anód anyagából, ami szintén röntgensugarakat generál.
Azt is meg kell érteni, hogy minden más elektromágneses sugárzáshoz hasonlóan a röntgensugárzásnak is megvan a maga spektruma. Maga ezt a sugárzást meglehetősen széles körben alkalmazzák. Mindenki tudja, hogy a csonttörést vagy a tüdőben lévő tömeget röntgen segítségével keresik.
A kristályos anyag szerkezete
Most közel állunk ahhoz, hogy mi a röntgendiffrakciós módszer. Ehhez el kell magyarázni, hogyan van elrendezve egy szilárd test. A tudományban szilárd testnek nevezünk bármilyen kristályos állapotú anyagot. A fa, az agyag vagy az üveg szilárd, de hiányzik belőlük a legfontosabb: az időszakos szerkezet. De a kristályoknak megvan ez a csodálatos tulajdonsága. Ennek a jelenségnek már a neve is magában foglalja a lényegét. Először is meg kell értened, hogy a kristály atomjai mereven rögzítve vannak. A köztük lévő kötések bizonyos fokú rugalmassággal rendelkeznek, de túl erősek ahhoz, hogy az atomok mozoghassanak benne.rácsok. Ilyen epizódok lehetségesek, de nagyon erős külső befolyással. Például, ha egy fémkristályt meghajlítanak, különféle típusú ponthibák keletkeznek benne: egyes helyeken az atom elhagyja a helyét, üresedést képezve, másutt rossz pozícióba mozdul el, intersticiális hibát képezve. A hajlítás helyén a kristály elveszti karcsú kristályszerkezetét, nagyon meghibásodik, meglazul. Ezért jobb, ha nem használunk egyszer meghajlított gemkapcsot, mivel a fém elvesztette tulajdonságait.
Ha az atomok mereven vannak rögzítve, többé nem helyezkedhetnek el véletlenszerűen egymáshoz képest, mint a folyadékokban. Úgy kell megszervezniük magukat, hogy minimálisra csökkentsék interakciójuk energiáját. Így az atomok egy rácsban sorakoznak fel. Minden rácsban van egy minimális atomkészlet, amelyek speciális módon vannak elrendezve a térben - ez a kristály elemi sejtje. Ha teljes egészében sugározzuk, vagyis a széleket egymással kombináljuk, bármilyen irányba tolva, akkor megkapjuk a teljes kristályt. Érdemes azonban megjegyezni, hogy ez egy modell. Minden valódi kristálynak vannak hibái, és szinte lehetetlen abszolút pontos fordítást elérni. A modern szilícium memóriacellák közel állnak az ideális kristályokhoz. Megszerzésük azonban hihetetlen mennyiségű energiát és egyéb erőforrásokat igényel. A laboratóriumban a tudósok különféle tökéletes szerkezeteket kapnak, de általában ezek létrehozásának költségei túl magasak. De feltételezzük, hogy minden kristály ideális: bármelyikbenirányba, ugyanazok az atomok egymástól azonos távolságra helyezkednek el. Ezt a szerkezetet kristályrácsnak nevezik.
A kristályszerkezet tanulmányozása
Ennek a ténynek köszönhető, hogy a kristályokon lehetséges a röntgendiffrakció. A kristályok periodikus szerkezete bizonyos síkokat hoz létre bennük, amelyekben több atom található, mint más irányban. Ezeket a síkokat néha a kristályrács szimmetriája, néha az atomok kölcsönös elrendezése határozza meg. Minden síknak saját jelölése van. A síkok közötti távolságok nagyon kicsik: több angström nagyságrendben (emlékezzünk vissza, egy angström 10-10 méter vagy 0,1 nanométer).
Azonban minden valódi kristályban sok azonos irányú sík található, még egy nagyon kicsiben is. A röntgendiffrakciós módszer ezt a tényt használja ki: az azonos irányú síkon irányváltoztatott összes hullámot összeadják, így a kimeneten meglehetősen tiszta jelet adnak. Így a tudósok megérthetik, hogy ezek a síkok milyen irányban helyezkednek el a kristály belsejében, és meg tudják ítélni a kristályszerkezet belső szerkezetét. Ezek az adatok azonban önmagukban nem elegendőek. A dőlésszög mellett a síkok közötti távolságot is ismerni kell. E nélkül több ezer különböző szerkezeti modellt kaphat, de nem tudja a pontos választ. Az alábbiakban arról lesz szó, hogy a tudósok hogyan tanulják meg a síkok közötti távolságot.
Diffrakciós jelenség
Már adtunk fizikai indoklást annak, hogy mi a röntgendiffrakció a kristályok térhálóján. A lényeget azonban még nem magyaráztuk eldiffrakciós jelenségek. Tehát a diffrakció az akadályok hullámok általi lekerekítése (beleértve az elektromágneseseket is). Ez a jelenség a lineáris optika törvényének megsértésének tűnik, de nem az. Ez szorosan összefügg például a fotonok interferencia- és hullámtulajdonságaival. Ha akadály van a fény útjában, akkor a diffrakció miatt a fotonok „kinézhetnek” a sarkon. Az, hogy a fény iránya mekkora távolságra van az egyenestől, az akadály méretétől függ. Minél kisebb az akadály, annál rövidebbnek kell lennie az elektromágneses hullámhossznak. Ezért történik az egykristályokon a röntgendiffrakció ilyen rövid hullámokkal: a síkok közötti távolság nagyon kicsi, az optikai fotonok egyszerűen nem „kúsznak” közéjük, hanem csak a felületről verődnek vissza.
Ez a fogalom igaz, de a modern tudományban túl szűknek tartják. Definíciójának bővítése, valamint az általános műveltség érdekében módszereket mutatunk be a hullámdiffrakció megnyilvánulására.
- A hullámok térszerkezetének megváltoztatása. Például egy hullámsugár terjedési szögének kiterjesztése, egy hullám vagy egy hullámsorozat eltérülése valamilyen előnyös irányba. A jelenségek ebbe az osztályába tartozik az akadályok körül meghajló hullám.
- Hullámok lebontása spektrummá.
- Változás a hullámpolarizációban.
- A hullámok fázisszerkezetének átalakítása.
A diffrakció jelensége az interferenciával együtt felelős azért, hogy amikor a fénysugarat a mögötte lévő keskeny résbe irányítjuk, nem egyet látunk, hanem többfénymaximumok. Minél távolabb van a maximum a nyílás közepétől, annál magasabb a sorrend. Ezenkívül a kísérlet helyes beállításával a hagyományos varrótű (természetesen vékony) árnyéka több csíkra van osztva, és a fény maximumát pontosan a tű mögött figyeljük meg, és nem a minimumot.
Wulf-Bragg formula
A fentiekben már említettük, hogy a végső jel a kristályon belüli azonos dőlésszögű síkokról visszaverődő röntgenfotonok összessége. De egy fontos összefüggés lehetővé teszi a szerkezet pontos kiszámítását. Enélkül a röntgendiffrakció haszontalan lenne. A Wulf-Bragg képlet így néz ki: 2dsinƟ=nλ. Itt d az azonos hajlásszögű síkok távolsága, θ a pillantási szög (Bragg-szög), vagy a síkra való beesési szög, n a diffrakciós maximum nagyságrendje, λ a hullámhossz. Mivel előre ismert, hogy melyik röntgenspektrumot használjuk az adatok megszerzésére, és milyen szögben esik ez a sugárzás, ez a képlet lehetővé teszi d értékének kiszámítását. Már egy kicsit magasabban mondtuk, hogy ezen információk nélkül lehetetlen pontosan meghatározni egy anyag szerkezetét.
A röntgendiffrakció modern alkalmazása
Felmerül a kérdés: milyen esetekben van szükség erre az elemzésre, vajon a tudósok nem kutattak-e már mindent a szerkezet világában, és nem feltételezik-e az emberek az alapvetően új anyagok beszerzésekor, hogy milyen eredmény vár rájuk ? Négy válasz létezik.
- Igen, elég jól megismertük bolygónkat. De minden évben új ásványokat találnak. Néha egyenletes a szerkezetükgondolom röntgen nélkül nem fog működni.
- Sok tudós próbálja javítani a már meglévő anyagok tulajdonságait. Ezeket az anyagokat különféle feldolgozásnak vetik alá (nyomás, hőmérséklet, lézer stb.). Néha elemeket adnak hozzá vagy eltávolítanak a szerkezetükből. A kristályokon végzett röntgendiffrakció segít megérteni, hogy ebben az esetben milyen belső átrendeződések történtek.
- Egyes alkalmazásokhoz (pl. aktív adathordozók, lézerek, memóriakártyák, megfigyelőrendszerek optikai elemei) a kristályokat nagyon pontosan össze kell illeszteni. Ezért a szerkezetüket ezzel a módszerrel ellenőrzik.
- A röntgendiffrakció az egyetlen módja annak, hogy megtudjuk, hány és melyik fázist kaptunk a szintézis során többkomponensű rendszerekben. A modern technológia kerámia elemei példaként szolgálhatnak ilyen rendszerekre. A nem kívánt fázisok jelenléte súlyos következményekhez vezethet.
Űrkutatás
Sokan kérdezik: "Miért van szükségünk hatalmas megfigyelőközpontokra a Föld pályáján, miért van szükségünk egy roverre, ha az emberiség még nem oldotta meg a szegénység és a háború problémáit?"
Mindenkinek megvannak a maga indokai mellett és ellen, de egyértelmű, hogy az emberiségnek kell álma.
Ezért a csillagokra nézve ma már bátran kijelenthetjük: napról napra többet tudunk meg róluk.
Az űrben lezajló folyamatokból származó röntgensugárzás nem éri el bolygónk felszínét, azokat a légkör elnyeli. De ez a részAz elektromágneses spektrum sok adatot hordoz a nagyenergiájú jelenségekről. Ezért a röntgensugárzást vizsgáló műszereket ki kell vinni a Földből, pályára. A jelenleg meglévő állomások a következő objektumokat vizsgálják:
- szupernóva-robbanások maradványai;
- galaxisok központjai;
- neutroncsillagok;
- fekete lyukak;
- masszív objektumok (galaxisok, galaxiscsoportok) ütközései.
Meglepő módon a különböző projektek szerint ezekhez az állomásokhoz hozzáférést biztosítanak a diákok, sőt az iskolások számára is. A mélyűrből érkező röntgensugarakat tanulmányozzák: a diffrakció, az interferencia, a spektrum válik érdeklődésük tárgyává. És ezeknek az űrobszervatóriumoknak néhány nagyon fiatal használója felfedezéseket tesz. Az aprólékos olvasó természetesen kifogásolhatja, hogy csak van ideje nagy felbontású képeket nézegetni, és észrevenni a finom részleteket. És természetesen a felfedezések fontosságát általában csak komoly csillagászok értik. De az ilyen esetek arra ösztönzik a fiatalokat, hogy életüket az űrkutatásnak szenteljék. És ezt a célt érdemes követni.
Így Wilhelm Conrad Roentgen eredményei megnyitották a hozzáférést a csillagok tudásához és más bolygók meghódítására.