Tämä artikkeli sisältää kuvauksen sellaisesta asiasta kuin röntgendiffraktio. Tämän ilmiön fyysinen perusta ja sen sovellukset selitetään tässä.
Teknologiat uusien materiaalien luomiseen
Innovaatio, nanoteknologia on nykymaailman trendi. Uutiset ovat täynnä raportteja uusista vallankumouksellisista materiaaleista. Mutta harvat ihmiset ajattelevat, minkä v altavan tutkimuslaitteiston tiedemiehet tarvitsevat luodakseen ainakin pienen parannuksen olemassa oleviin teknologioihin. Yksi perusilmiöistä, joka auttaa ihmisiä tekemään tämän, on röntgendiffraktio.
Sähkömagneettinen säteily
Ensin sinun on selitettävä, mitä sähkömagneettinen säteily on. Jokainen liikkuva varautunut kappale synnyttää ympärilleen sähkömagneettisen kentän. Nämä kentät läpäisevät kaiken ympärillä, jopa syvän avaruuden tyhjiö ei ole niistä vapaa. Jos tällaisessa kentässä esiintyy jaksoittaisia häiriöitä, jotka voivat levitä avaruudessa, niitä kutsutaan sähkömagneettiseksi säteilyksi. Sen kuvaamiseen käytetään käsitteitä kuten aallonpituus, taajuus ja sen energia. Energia on intuitiivista, ja aallonpituus on etäisyysidenttiset vaiheet (esimerkiksi kahden vierekkäisen maksimin välillä). Mitä suurempi aallonpituus (ja vastaavasti taajuus), sitä pienempi on sen energia. Muista, että nämä käsitteet ovat välttämättömiä kuvaamaan ytimekkäästi ja ytimekkäästi, mitä röntgendiffraktio on.
Sähkömagneettinen spektri
Kaikki erilaiset sähkömagneettiset säteet sopivat erityiselle mittakaavalle. Aallonpituudesta riippuen ne erottavat (pisimmästä lyhimpään):
- radioaallot;
- terahertsia altoja;
- infrapuna-aallot;
- näkyvät aallot;
- ultraviolettiaallot;
- röntgenaallot;
- gammasäteily.
Siten säteilyllä, josta olemme kiinnostuneita, on hyvin lyhyt aallonpituus ja suurimmat energiat (siksi sitä kutsutaan joskus kovaksi). Siksi olemme lähempänä kuvaamista, mitä röntgendiffraktio on.
Röntgensäteiden alkuperä
Mitä suurempi säteilyenergia on, sitä vaikeampaa on saada se keinotekoisesti. Tulipalon jälkeen ihminen saa paljon infrapunasäteilyä, koska se siirtää lämpöä. Mutta jotta röntgensäteiden diffraktio avaruudellisten rakenteiden avulla tapahtuisi, on tehtävä paljon vaivaa. Joten tällaista sähkömagneettista säteilyä vapautuu, kun elektroni tippuu pois atomin kuoresta, joka on lähellä ydintä. Yllä sijaitsevat elektronit pyrkivät täyttämään tuloksena olevan reiän, niiden siirtymät ja antamaan röntgenfotoneja. Myös jyrkän hidastuksen aikana varautuneiden hiukkasten massalla (esim.elektroneja), näitä korkeaenergisiä säteitä tuotetaan. Näin ollen röntgensäteiden diffraktioon kidehilassa kuluu melko paljon energiaa.
Teollisessa mittakaavassa tämä säteily saadaan seuraavasti:
- Katodi lähettää korkeaenergisen elektronin.
- Elektroni törmää anodin materiaaliin.
- Elektroni hidastuu jyrkästi (säteilee samalla röntgensäteitä).
- Toisessa tapauksessa hidastuva hiukkanen pudottaa elektronin pois atomin matal alta kiertorad alta anodimateriaalista, mikä myös tuottaa röntgensäteitä.
On myös välttämätöntä ymmärtää, että kuten kaikilla muilla sähkömagneettisilla säteilyillä, röntgensäteillä on oma spektrinsä. Tätä säteilyä itsessään käytetään melko laaj alti. Kaikki tietävät, että luunmurtumaa tai massaa keuhkoista etsitään röntgensäteiden avulla.
Kiteisen aineen rakenne
Nyt olemme lähellä sitä, mitä röntgendiffraktiomenetelmä on. Tätä varten on tarpeen selittää, kuinka kiinteä kappale on järjestetty. Tieteessä kiinteää kappaletta kutsutaan mitä tahansa kiteisessä tilassa olevaa ainetta. Puu, savi tai lasi ovat kiinteitä, mutta niistä puuttuu tärkein asia: jaksollinen rakenne. Mutta kiteillä on tämä hämmästyttävä ominaisuus. Tämän ilmiön nimi sisältää sen olemuksen. Ensin sinun on ymmärrettävä, että kiteen atomit on kiinnitetty jäykästi. Niiden välisillä sidoksilla on jonkin verran joustavuutta, mutta ne ovat liian vahvoja atomeille liikkuakseen sisällä.ritilät. Tällaiset jaksot ovat mahdollisia, mutta erittäin vahvalla ulkoisella vaikutuksella. Esimerkiksi, jos metallikide taivutetaan, siihen muodostuu erityyppisiä pistevikoja: paikoin atomi jättää paikkansa muodostaen tyhjiön, toisissa se siirtyy vääriin paikkoihin muodostaen interstitiaalisen vian. Taivutuskohdassa kide menettää hoikan kiderakenteensa, muuttuu erittäin vialliseksi, löysäksi. Siksi on parempi olla käyttämättä paperiliitintä, joka on taivutettu kerran, koska metalli on menettänyt ominaisuutensa.
Jos atomit on kiinnitetty jäykästi, niitä ei voi enää sijoittaa satunnaisesti suhteessa toisiinsa, kuten nesteissä. Heidän on järjestettävä itsensä siten, että heidän vuorovaikutuksensa energia minimoidaan. Siten atomit asettuvat hilaan. Jokaisessa hilassa on vähimmäisjoukko atomeja, jotka on järjestetty erityisellä tavalla avaruuteen - tämä on kiteen perussolu. Jos lähetämme sen kokonaan, eli yhdistämme reunat toisiinsa, siirtämällä mihin tahansa suuntaan, saamme koko kiteen. On kuitenkin syytä muistaa, että tämä on malli. Kaikissa todellisissa kiteissä on puutteita, ja on lähes mahdotonta saavuttaa ehdottoman tarkkaa käännöstä. Nykyaikaiset piimuistisolut ovat lähellä ihanteellisia kiteitä. Niiden saaminen vaatii kuitenkin uskomattomia määriä energiaa ja muita resursseja. Laboratoriossa tutkijat saavat erilaisia täydellisiä rakenteita, mutta yleensä niiden luomiskustannukset ovat liian korkeat. Mutta oletamme, että kaikki kiteet ovat ihanteellisia: missä tahansasuunnassa, samat atomit sijaitsevat samoilla etäisyyksillä toisistaan. Tätä rakennetta kutsutaan kidehilaksi.
Kiderakenteen tutkimus
Tästä tosiasiasta johtuu, että röntgendiffraktio kiteissä on mahdollista. Kiteiden jaksollinen rakenne luo niihin tiettyjä tasoja, joissa on enemmän atomeja kuin muihin suuntiin. Joskus nämä tasot asettavat kidehilan symmetria, joskus atomien keskinäinen järjestely. Jokaiselle koneelle on annettu oma nimitys. Tasojen väliset etäisyydet ovat hyvin pieniä: usean angströmin luokkaa (muista, angstrom on 10-10 metriä tai 0,1 nanometriä).
Missä tahansa todellisessa kristallissa on kuitenkin monia samansuuntaisia tasoja, jopa hyvin pienessä. Röntgendiffraktio menetelmänä hyödyntää tätä tosiasiaa: kaikki suuntaa muuttaneet aallot samansuuntaisilla tasoilla summataan, jolloin saadaan melko selkeä signaali lähdössä. Joten tutkijat voivat ymmärtää, mihin suuntiin nämä tasot sijaitsevat kiteen sisällä, ja arvioida kiderakenteen sisäistä rakennetta. Nämä tiedot eivät kuitenkaan yksin riitä. K altevuuskulman lisäksi sinun on tiedettävä myös tasojen välinen etäisyys. Ilman tätä voit saada tuhansia erilaisia malleja rakenteesta, mutta et tiedä tarkkaa vastausta. Miten tiedemiehet oppivat lentokoneiden välisestä etäisyydestä, käsitellään alla.
Diffraktioilmiö
Olemme jo antaneet fyysisen perustelun sille, mikä on röntgendiffraktio kiteiden avaruudellisessa hilassa. Emme kuitenkaan ole vielä selittäneet sen olemustadiffraktioilmiöt. Diffraktio on siis esteiden pyöristämistä aalloilla (mukaan lukien sähkömagneettiset). Tämä ilmiö näyttää olevan lineaarisen optiikan lain vastainen, mutta se ei ole sitä. Se liittyy läheisesti esimerkiksi fotonien häiriö- ja a altoominaisuuksiin. Jos valon tiellä on este, niin diffraktion vuoksi fotonit voivat "katsoa" kulman taakse. Se, kuinka kauas valon suunta kulkee suor alta, riippuu esteen koosta. Mitä pienempi este, sitä lyhyempi sähkömagneettisen aallon pituuden tulee olla. Siksi yksittäiskiteiden röntgendiffraktio suoritetaan niin lyhyillä aalloilla: tasojen välinen etäisyys on hyvin pieni, optiset fotonit eivät yksinkertaisesti "ryömi" niiden välillä, vaan ne heijastuvat vain pinnasta.
Tällainen käsite on totta, mutta modernissa tieteessä sitä pidetään liian suppeana. Sen määritelmän laajentamiseksi ja yleisen erudition vuoksi esittelemme menetelmiä a altodiffraktion ilmentämiseksi.
- A altojen tilarakenteen muuttaminen. Esimerkiksi a altosäteen etenemiskulman laajentaminen, aallon tai a altosarjan taipuminen johonkin edulliseen suuntaan. Tähän ilmiöluokkaan kuuluu esteiden ympärillä taipuva a alto.
- A altojen hajoaminen spektriksi.
- Aallon polarisaation muutos.
- A altojen vaiherakenteen muunnos.
Diffraktioilmiö yhdessä interferenssin kanssa on vastuussa siitä, että kun valonsäde suunnataan kapeaan sen takana olevaan rakoon, emme näe yhtä, vaan useitavalon maksimi. Mitä kauempana maksimi on paikan keskeltä, sitä korkeampi on sen järjestys. Lisäksi kokeen oikealla asetuksella tavallisen ompeluneulan varjo (tietysti ohut) jaetaan useisiin raitoihin, ja valon maksimi havaitaan tarkalleen neulan takana, ei minimi.
Wulf-Braggin kaava
Olemme jo sanoneet edellä, että lopullinen signaali on kaikkien röntgenfotonien summa, jotka heijastuvat tasoista, joilla on sama k altevuus kiteen sisällä. Mutta yksi tärkeä suhde mahdollistaa rakenteen tarkan laskemisen. Ilman sitä röntgendiffraktio olisi hyödytöntä. Wulf-Braggin kaava näyttää tältä: 2dsinƟ=nλ. Tässä d on etäisyys tasojen välillä, joilla on sama k altevuuskulma, θ on katselukulma (Braggin kulma) tai tulokulma tasolle, n on diffraktiomaksimin luokka, λ on aallonpituus. Koska on etukäteen tiedossa, mitä röntgenspektriä käytetään tietojen saamiseksi ja mihin kulmaan tämä säteily laskeutuu, tämän kaavan avulla voimme laskea d:n arvon. Olemme jo sanoneet hieman korkeammalle, että ilman tätä tietoa on mahdotonta saada tarkasti aineen rakennetta.
Röntgendiffraktion nykyaikainen sovellus
Hertyy kysymys: missä tapauksissa tätä analyysiä tarvitaan, eivätkö tiedemiehet ole jo tutkineet kaikkea rakennemaailmasta, ja eivätkö ihmiset perustavanlaatuisia uusia aineita hankkiessaan oleta, millainen tulos heitä odottaa ? Vastauksia on neljä.
- Kyllä, opimme tuntemaan planeettamme melko hyvin. Mutta joka vuosi löydetään uusia mineraaleja. Joskus niiden rakenne on tasainenarvaus ilman röntgensäteitä ei toimi.
- Monet tiedemiehet yrittävät parantaa jo olemassa olevien materiaalien ominaisuuksia. Näitä aineita käsitellään eri tavoin (paine, lämpötila, laserit jne.). Joskus elementtejä lisätään tai poistetaan rakenteesta. Kiteiden röntgendiffraktio auttaa ymmärtämään, mitä sisäisiä uudelleenjärjestelyjä tässä tapauksessa tapahtui.
- Joissakin sovelluksissa (esim. aktiiviset mediat, laserit, muistikortit, valvontajärjestelmien optiset elementit) kiteet on sovitettava hyvin tarkasti. Siksi niiden rakenne tarkistetaan tällä menetelmällä.
- Röntgendiffraktio on ainoa tapa saada selville, kuinka monta ja mitkä faasit saatiin synteesin aikana monikomponenttijärjestelmissä. Nykytekniikan keraamiset elementit voivat toimia esimerkkinä tällaisista järjestelmistä. Ei-toivottujen vaiheiden esiintyminen voi johtaa vakaviin seurauksiin.
Avaruustutkimus
Monet ihmiset kysyvät: "Miksi tarvitsemme v altavia observatorioita Maan kiertoradalle, miksi tarvitsemme roverin, jos ihmiskunta ei ole vielä ratkaissut köyhyyden ja sodan ongelmia?"
Jokaisella on omat syynsä puolesta ja vastaan, mutta on selvää, että ihmiskunnalla täytyy olla unelma.
Siksi tähtiin katsottuna voimme tänään sanoa luottavaisin mielin: tiedämme niistä päivä päivältä enemmän ja enemmän.
Avaruudessa tapahtuvien prosessien röntgensäteet eivät saavuta planeettamme pintaa, vaan ne imeytyvät ilmakehään. Mutta tämä osaSähkömagneettinen spektri sisältää paljon tietoa korkean energian ilmiöistä. Siksi röntgensäteitä tutkivat instrumentit on otettava pois maapallosta kiertoradalle. Tällä hetkellä olemassa olevat asemat tutkivat seuraavia kohteita:
- supernovaräjähdyksen jäänteet;
- galaksien keskukset;
- neutronitähdet;
- mustat aukot;
- massiivisten esineiden (galaksien, galaksiryhmien) törmäykset.
Yllättäen eri projektien mukaan pääsy näille asemille tarjotaan opiskelijoille ja jopa koululaisille. He tutkivat syvästä avaruudesta tulevia röntgensäteitä: diffraktiosta, häiriöstä, spektristä tulee heidän kiinnostuksensa aihe. Ja jotkut hyvin nuoret näiden avaruusobservatorioiden käyttäjät tekevät löytöjä. Huolellinen lukija voi tietysti vastustaa, että hänellä on vain aikaa katsella korkearesoluutioisia kuvia ja huomata hienovaraisia yksityiskohtia. Ja tietysti vain vakavat tähtitieteilijät ymmärtävät löytöjen tärkeyden. Mutta tällaiset tapaukset innostavat nuoria omistamaan elämänsä avaruustutkimukselle. Ja tähän tavoitteeseen kannattaa pyrkiä.
Siksi Wilhelm Conrad Roentgenin saavutukset avasivat pääsyn tähtien tietoon ja kyvyn valloittaa muita planeettoja.
