Што такое дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў?

Дадзеная артыкул утрымлівае апісанне такога паняцця, як дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў. Тут тлумачацца фізічныя падставы гэтай з'явы і яго прымяненне.

Тэхналогіі стварэння новых матэрыялаў

Інавацыі, нанатэхналогіі - гэта трэнд сучаснага свету. Навіны мільгаюць паведамленнямі аб новых рэвалюцыйных матэрыялах. Але мала хто задумваецца, які велізарны даследчы апарат патрабуецца навукоўцам, каб стварыць хоць бы маленькае паляпшэнне існуючых тэхналогій. Адно з асноватворных з'яў, якія дапамагаюць людзям у гэтым, - дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў.

электрамагнітнае выпраменьванне

Для пачатку патрабуецца патлумачыць, што такое электрамагнітнае выпраменьванне. Любое якое рухаецца зараджанае цела спараджае вакол сябе электрамагнітнае поле. Гэтыя палі праймаюць ўсе вакол, нават вакуум глыбокага космасу нявольны ад іх. Калі ў такім полі ўзнікаюць перыядычныя абурэння, якія здольныя распаўсюджвацца ў прасторы, яны называюцца электрамагнітным выпраменьваннем. Для яго апісання ўжываюцца такія паняцці, як даўжыня хвалі, частата і яе энергія. Што такое энергія, зразумела інтуітыўна, а даўжыня хвалі - адлегласць паміж аднолькавымі фазамі (напрыклад, паміж двума суседнімі максімумамі). Чым вышэй даўжыня хвалі (і, адпаведна, частата), тым менш яе энергія. Нагадаем, гэтыя паняцці неабходныя, каб апісаць, што такое дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў коратка і ёміста.

электрамагнітны спектр

Уся разнастайнасць электрамагнітных прамянёў змяшчаецца на спецыяльнай шкале. У залежнасці ад даўжыні хвалі, адрозніваюць (ад самых доўгіх да самым кароткім):

• радыёхвалі;
• терагерцевого хвалі;
• інфрачырвоныя хвалі;
• бачныя хвалі;
• ультрафіялетавыя хвалі;
• рэнтгенаўскія хвалі;
• гама-выпраменьванне.

Такім чынам, якое цікавіць нас выпраменьванне мае вельмі маленькую даўжыню хвалі і самыя высокія энергіі (таму яно часам называецца жорсткім). Такім чынам, мы набліжаемся да апісання таго, што такое дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў.

Паходжанне рэнтгенаўскіх прамянёў

Чым вышэй энергія выпраменьвання, тым складаней яго атрымаць штучна. Развядучы вогнішча, чалавек атрымлівае нямала ВК-выпраменьвання, бо менавіта яно пераносіць цяпло. Але каб адбылася дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў на прасторавых структурах, трэба нямала пастарацца. Такім чынам, гэты від электрамагнітнага выпраменьвання вызваляецца, калі выбіць электрон з абалонкі атама, якая знаходзіцца блізка да ядра. Электроны, размешчаныя вышэй, імкнуцца запоўніць ўтварылася дзірку, іх пераходы і даюць рэнтгенаўскія фатоны. Таксама пры рэзкім тармажэнні зараджаных часціц, якія валодаюць масай (напрыклад, электронаў), вырабляюцца гэтыя высокаэнергетычныя прамяні. Такім чынам, дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў на крышталічнай рашотцы суправаджаецца выдаткам досыць вялікай колькасці энергіі.

У прамысловых маштабах гэта выпраменьванне атрымліваюць так:

1. Катод выпускае электрон з высокай энергіяй.
2. Электрон сутыкаецца з рэчывам анода.
3. Электрон рэзка тармозіць (пры гэтым выпускае рэнтген).
4. У іншым выпадку тармозячая часціца выбівае электрон з нізкай арбіты атама з рэчыва анода, што таксама спараджае рэнтген.

Неабходна таксама разумець, што, як і ў любога іншага электрамагнітнага выпраменьвання, у рэнтгенаўскага ёсць свой спектр. Само гэтае выпраменьванне ўжываецца досыць шырока. Усім вядома, што зламаную костка або адукацыю ў лёгкіх шукаюць менавіта з дапамогай рэнтгенаўскага выпраменьвання.

Будова крышталічнага рэчывы

Цяпер мы ўшчыльную падышлі да таго, што сабой уяўляе метад дыфракцыі рэнтгенаўскіх прамянёў. Для гэтага варта патлумачыць, як ўладкована цвёрдае цела. У навуцы цвёрдым целам прынята называць любое рэчыва ў крышталічным стане. Дрэва, гліна або шкло цвёрдыя, але ў іх адсутнічае галоўнае: перыядычнае будынак. А вось крышталі валодаюць гэтым дзіўнай уласцівасцю. Сама назва гэтай з'явы ўтрымлівае ў сабе яго сутнасць. Для пачатку трэба зразумець, што атамы ў крышталі замацаваны жорстка. Сувязі паміж імі валодаюць некаторай ступенню эластычнасці, аднак яны занадта трывалыя, каб атамы маглі перасоўвацца ўнутры кратаў. Такія эпізоды магчымыя, але пры вельмі моцным вонкавым уздзеянні. Напрыклад, калі крышталь металу згінаць, у ім утвараюцца кропкавыя дэфекты розных тыпаў: у адных месцах атам пакідае сваё месца, утвараючы вакансію, у іншых - перамяшчаецца ў неналежныя яму пазіцыі, утвараючы дэфект ўкаранення. У месцы згіну крышталь губляе сваё стройнае крышталічнае будынак, становіцца вельмі дэфектным, друзлым. Таму сашчэпку, якую адзін раз разгінаецца, лепш не выкарыстоўваць, бо метал страціў свае ўласцівасці.

Калі атамы замацаваны жорстка, яны ўжо не могуць размяшчацца адносна адзін аднаго хаатычна, як у вадкасцях. Яны павінны арганізавацца так, каб мінімізаваць энергію свайго ўзаемадзеяння. Такім чынам, атамы выстройваюцца ў краты. У кожнай рашотцы прысутнічае мінімальны набор атамаў, асаблівым чынам якія размяшчаюцца ў прасторы, - гэта элементарная вочка крышталя. Калі яе цалкам трансляваць, то ёсць сумясціць краю адзін з адным, зрушыўшы ў любым кірунку, мы атрымаем ўвесь крышталь. Аднак варта памятаць, што гэта - мадэль. Любы рэальны крышталь валодае дэфектамі, і абсалютна дакладнай трансляцыі дамагчыся амаль немагчыма. Сучасныя крамянёвыя элементы памяці блізкія да ідэальных крышталям. Аднак іх атрыманне патрабуе неймаверных колькасцяў энергіі і іншых рэсурсаў. У лабараторных умовах навукоўцы атрымліваюць дасканалыя структуры розных відаў, але, як правіла, выдаткі на іх стварэнне занадта вялікія. Але будзем лічыць, што ўсе крышталі ідэальныя: у любым кірунку тыя ж атамы будуць размяшчацца на тых жа адлегласцях адно ад аднаго. Такі будынак называецца крышталічнай кратамі.

Даследаванне структуры крышталяў

Менавіта дзякуючы гэтаму факту магчымая дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў на крышталях. Перыядычнае будынак крышталяў стварае ў іх некаторыя плоскасці, у якіх больш атамаў, чым у іншых кірунках. Часам гэтыя плоскасці задаюцца сіметрыяй крышталічнай рашоткі, часам - узаемным размяшчэннем атамаў. Кожнай плоскасці прысвойваецца сваё абазначэнне. Адлегласці паміж плоскасцямі вельмі маленькія: парадку некалькіх Ангстрэма (нагадаем, Ангстрэм - гэта 10 ^-10 метра ці 0,1 нанаметр).

Аднак плоскасцяў аднаго кірунку ў любым рэальным крышталі, нават вельмі маленькім, шмат. Дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў як метад выкарыстоўвае гэты факт: усе хвалі, якія змянілі кірунак на плоскасцях аднаго накірунку, сумуюцца, даючы на выхадзе дастаткова ясны сігнал. Так навукоўцы могуць зразумець, у якіх кірунках ўнутры крышталя размешчаны гэтыя плоскасці, і судзяць аб ўнутраным будынку структуры крышталя. Аднак толькі гэтых дадзеных недастаткова. Акрамя кута нахілу, патрабуецца ведаць яшчэ адлегласць паміж плоскасцямі. Без гэтага можна атрымаць тысячы розных мадэляў структуры, але не ведаць дакладнага адказу. Пра тое, як навукоўцы даведаюцца аб адлегласці паміж плоскасцямі, гаворка пойдзе крыху ніжэй.

з'ява дыфракцыі

Мы ўжо далі фізічнае абгрунтаванне таго, што такое дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў на прасторавай рашотцы крышталяў. Аднак мы пакуль не патлумачылі сутнасць з'явы дыфракцыі. Такім чынам, дыфракцыя - гэта абмінання хвалямі (у тым ліку электрамагнітнымі) перашкодаў. Дадзенае з'ява здаецца парушэннем законам лінейнай оптыкі, аднак гэта не так. Яно цесна звязана з інтэрферэнцыі і хвалевымі ўласцівасцямі, напрыклад, фатонаў. Калі на шляху святла варта перашкода, то дзякуючы дыфракцыі фатоны могуць «зазірнуць» за кут. Наколькі далёка адхіляцца кірунак распаўсюджвання святла ад прамалінейнага, залежыць ад памеру перашкоды. Чым менш перашкода, тым менш павінна быць даўжыня электрамагнітнай хвалі. Менавіта таму дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў на монакрышталяў ажыццяўляецца з дапамогай такіх кароткіх хваль: адлегласць паміж плоскасцямі вельмі маленькае, аптычныя фатоны проста не «пралезуць» паміж імі, а толькі адаб'юцца ад паверхні.

Такое паняцце дакладна, але ў сучаснай навуцы яна лiчыцца занадта вузкім. Для пашырэння яго вызначэння, а таксама для агульнай эрудыцыі прывядзем спосабы праявы дыфракцыі хваль.

1. Змена прасторавай структуры хваль. Напрыклад, пашырэнне кута распаўсюджвання хвалевага пучка, адхіленне хвалі або шэрагу хваль у нейкім вылучаным кірунку. Менавіта да гэтага класа з'явы ставіцца абмінання хвалямі перашкод.
2. Разлажэнне хваль у спектр.
3. Змена палярызацыі хваль.
4. Пераўтварэнне фазавай структуры хваль.

З'ява дыфракцыі сумесна з інтэрферэнцыі адказная за тое, што пры накіраванні пучка святла на вузкую шчыліну за ёй мы бачым не адзін, а некалькі светлавых максімумаў. Чым далей максімум ад сярэдзіны шчыліны, тым вышэй яго парадак. Акрамя таго, пры правільнай пастаноўцы эксперыменту цень ад звычайнай швейнай іголкі (натуральна, тонкай) разбіваецца на некалькі палос, прычым роўна за іголкай назіраецца светлавой максімум, а не мінімум.

Формула Вульфа-Брэгга

Мы ўжо казалі вышэй, што канчатковы сігнал складваецца з усіх рэнтгенаўскіх фатонаў, якія адлюстроўваюцца ад плоскасцяў з аднолькавым нахілам ўнутры крышталя. Але разлічыць структуру дакладна дазваляе адна важная суадносіны. Без яго была б бескарысная дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў. Формула Вульфа-Брэгга выглядае так: 2dsinƟ = nλ. Тут d - адлегласць паміж плоскасцямі з аднолькавым вуглом нахілу, θ - кут слізгацення (брэгговский кут), або кут падзення на плоскасць, n - парадак дыфракцыйную максімуму, λ - даўжыня хвалі. Бо загадзя вядома, якім менавіта спектрам рэнтгенаўскага выпраменьвання карыстаюцца для атрымання дадзеных і пад якім вуглом падае гэта выпраменьванне, то гэтая формула дазваляе разлічыць велічыню d. Трохі вышэй мы ўжо казалі, што без гэтых звестак дакладна атрымаць структуру рэчывы немагчыма.

Сучаснае прымяненне дыфракцыі рэнтгенаўскіх прамянёў

Узнікае пытанне: у якіх выпадках патрэбны гэты аналіз, няўжо навукоўцы не даследавалі ўжо ўсё на свеце структуры, і хіба пры атрыманні прынцыпова новых рэчываў людзі не мяркуюць, які менавіта вынік іх чакае? Адказаў чатыры.

1. Так, нашу планету мы даведаліся дастаткова добра. Але кожны год знаходзяць новыя мінералы. Часам іх структуру нават выказаць здагадку без рэнтгенаўскіх прамянёў не атрымаецца.
2. Многія навукоўцы спрабуюць палепшыць ўласцівасці ўжо існуючых матэрыялаў. Гэтыя рэчывы падвяргаюць розных відах апрацоўкі (ціскам, тэмпературай, лазерамі і т. Д.). Часам у іх структуру дадаюць або прыбіраюць з яе элементы. Зразумець, якія ўнутраныя перабудовы пры гэтым адбыліся, дапаможа дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў на крышталях.
3. Для некаторых ужыванняў (напрыклад, для актыўных асяроддзяў лазераў, карт памяці, аптычных элементаў сістэм назірання) крышталі павінны вельмі дакладна адпавядаць патрабаванням. Таму іх будова правяраецца з дапамогай гэтага метаду.
4. Дыфракцыя рэнтгенаўскіх прамянёў - гэта адзіны спосаб высветліць, колькі і якіх фаз атрымалася пры сінтэзе ў шматкампанентных сістэмах. Прыкладам такіх сістэм могуць служыць керамічныя элементы сучаснай тэхнікі. Наяўнасць непажаданых фаз можа пацягнуць за сабой сур'ёзныя наступствы.

касмічныя даследаванні

Вельмі многія пытаюцца: «Навошта нам велізарныя абсерваторыі на арбіце Зямлі, навошта нам марсаход, калі чалавецтва яшчэ не вырашыла праблем беднасці і вайны?»

У кожнага знойдуцца свае довады «за» і «супраць», але відавочна, што ў чалавецтва павінна быць мара.

Таму, гледзячы на зоркі, сёння мы можам з упэўненасцю сказаць: пра іх мы ведаем кожны дзень усе больш.

Рэнтгенаўскія прамяні ад працэсаў, якія адбываюцца ў космасе, не дасягаюць паверхні нашай планеты, іх паглынае атмасфера. Але гэтая частка электрамагнітнага спектру нясе шмат дадзеных пра з'явы з высокімі энергіямі. Таму інструменты, якія вывучаюць рэнтген, павінны быць вынесеныя за межы Зямлі, на арбіту. Якія існуюць на дадзены момант станцыі вывучаюць наступныя аб'екты:

• рэшткі ад выбухаў звышновых;
• цэнтры галактык;
• оценённые зоркі;
• чорныя дзіркі;
• сутыкнення масіўных аб'ектаў (галактык, груп галактык).

Дзіўна, але па розных праектах доступ да гэтых станцыях прадастаўляецца студэнтам і нават школьнікам. Яны вывучаюць якія ідуць з глыбокага космасу ренгеновские прамяні: дыфракцыя, інтэрферэнцыя, спектр становяцца прадметам іх цікавасці. І некаторыя вельмі юныя карыстальнікі гэтых касмічных абсерваторый робяць адкрыцці. Скурпулёзны чытач можа, вядома, запярэчыць, што ў іх-то як раз ёсць час здымкі ў вялікіх дазволах разглядаць і прыкмячаць малапрыкметныя дэталі. І вядома, важнасць адкрыццяў, як правіла, разумеюць толькі сур'ёзныя навукоўцы-астраномы. Але такія выпадкі натхняюць маладых людзей на тое, каб прысвяціць сваё жыццё даследаванню космасу. А гэтая мэта вартая таго, каб ёй прытрымлівацца.

Так, дасягненні Вільгельма Конрада рэнтген адкрылі доступ да зорнага веданню і магчымасці скарыць іншыя планеты.