Co je rentgenová difrakce?

Tento článek popisuje koncept, jako je rentgenová difrakce. To vysvětluje fyzikální základ tohoto jevu a jeho použití.

Technologie pro tvorbu nových materiálů

Inovace, nanotechnologie jsou trendem moderního světa. Zprávy jsou plné zpráv o nových revolučních materiálech. Jen málo lidí se však zajímalo, co vědečtí vědci vyžadují obrovské výzkumné zařízení, aby vytvořily alespoň malé zlepšení ve stávajících technologiích. Jedním ze základních jevů, které pomáhají lidem, je rentgenová difrakce.

Elektromagnetické záření

Nejprve je třeba vysvětlit, co je to elektromagnetické záření. Každé pohyblivé nabité tělo vytváří kolem sebe samotné elektromagnetické pole. Tato pole prostupují vše kolem, ani vakuum hlubokého vesmíru není osvobozeno od nich. Pokud v takovém oboru vznikají periodické poruchy, které se mohou šířit v prostoru, nazývají se to elektromagnetickým zářením. Pro jeho popis se používají pojmy jako vlnová délka, frekvence a její energie. Co je energie intuitivně srozumitelná a vlnová délka je vzdálenost mezi identickými fázemi (například mezi dvěma sousedními maximami). Čím vyšší je vlnová délka (a odpovídající frekvence), tím nižší je její energie. Připomeňme, že tyto pojmy jsou nezbytné k popisu toho, co je rentgenová difrakce krátká a prostorná.

Elektromagnetické spektrum

Veškerá rozmanitost elektromagnetických paprsků se hodí do zvláštní míry. V závislosti na vlnové délce rozlišujte (od nejdelší k nejkratší):

• rádiové vlny;
• terahertzové vlny;
• infračervené vlny;
• viditelné vlny;
• ultrafialové vlny;
• Rentgenové vlny;
• gama záření.

Takže záření, které nás zajímá, má velmi krátkou vlnovou délku a nejvyšší energii (proto je někdy nazýváno tvrdě). Následně se blížíme k popisu, jaká je rentgenová difrakce.

Původ rentgenových paprsků

Čím vyšší je energie radiace, tím obtížnější je získat uměle. Po rozvedení požáru získá člověk mnoho IR záření, protože přenáší teplo. Ale aby se objevila rentgenová difrakce na prostorových strukturách, je potřeba udělat hodně práce. Takže tento druh elektromagnetického záření je uvolněn, pokud vyrazíte elektron ze skořápky atomu, který je blízko jádra. Elektrony umístěné výše mají tendenci vyplnit vyplněný otvor, jejich přechody a poskytnout rentgenové fotony. Také při silné inhibici nabitých částic, které mají hmotu (například elektrony), se vytvářejí tyto vysoce energetické paprsky. Tak difrakce rentgenových paprsků na krystalové mříži je doprovázena výdajem dostatečně velkého množství energie.

V průmyslovém měřítku se toto záření získává následovně:

1. Katoda vyzařuje elektron s vysokou energií.
2. Elektrón se srazí s anodovým materiálem.
3. Elektron náhle zabraňuje (zároveň vydává rentgenové záření).
4. V druhém případě zpomalující částice zasáhne elektron z nízké dráhy atomu z anodového materiálu, který také generuje rentgenový paprsek.

Rovněž je třeba chápat, že stejně jako jiné elektromagnetické záření má rentgenové spektrum své vlastní spektrum. Toto samotné záření se používá dostatečně široce. Každý ví, že se pomocí rentgenových paprsků hledá zlomená kost nebo forma v plicích.

Struktura krystalické látky

Nyní se blížíme tomu, co je metoda rentgenové difrakce. Chcete-li to provést, vysvětlete, jak je uspořádáno pevné tělo. Ve vědě je pevné tělo nazýváno jakoukoli látkou v krystalickém stavu. Dřevo, hlína nebo sklo jsou pevné, ale postrádají hlavní: periodickou strukturu. Ale krystaly mají tento úžasný majetek. Samotný název tohoto jevu obsahuje jeho podstatu. Za prvé, musíme pochopit, že atomy v krystalu jsou pevně fixovány. Vazby mezi nimi mají určitý stupeň elasticity, ale jsou příliš silné pro to, aby se atomy pohybovaly uvnitř mříže. Takové epizody jsou možné, ale s velmi silným vnějším účinkem. Například, v případě, že kov krystal ohýbat, jsou vytvořeny v bodových defektů různých typů: v některých místech atom opustí sedadlo, tvořící polohy, ve druhé - se pohybuje v nesprávné poloze, tvořící úvod defektů. V místě ohýbání krystal ztrácí svou štíhlou strukturu krystalu, stává se velmi vadný, uvolněný. Proto klip, který byl jednou unbent, je lepší nepoužívat, protože kov ztratil své vlastnosti.

Pokud jsou atomy pevně uchyceny, nemohou být vůči sobě navzájem chaoticky, stejně jako v kapalinách. Musí být organizovány tak, aby minimalizovaly energii jejich vzájemného působení. Takže atomy jsou uspořádány v mříži. V každé mřížce je minimální množina atomů, zejména umístěná ve vesmíru, je elementární buňka krystalu. Je-li zcela vysílán, to znamená, že vzájemně spojujeme hrany, pohybujeme se v jakémkoliv směru, získáváme celý krystal. Je však třeba připomenout, že jde o model. Každý skutečný krystal má vady a je téměř nemožné dosáhnout absolutně přesného vysílání. Moderní křemíkové paměťové prvky se blíží dokonalým krystalům. Nicméně jejich získání vyžaduje neuvěřitelné množství energie a dalších zdrojů. V laboratoři vědci dostávají dokonalé struktury různých typů, ale náklady na jejich vytvoření jsou zpravidla příliš velké. Předpokládáme však, že všechny krystaly jsou ideální: v každém směru budou stejné atomy umístěny ve stejných vzdálenostech od sebe. Taková struktura se nazývá krystalová mřížka.

Vyšetřování krystalové struktury

Právě díky této skutečnosti je možné rentgenové difrakce na krystalech. Periodická struktura krystalů vytváří v nich některé roviny, ve kterých je více atomů než v jiných směrech. Někdy jsou tyto roviny dány symetrií krystalové mříže, někdy i vzájemným uspořádáním atomů. Každá rovina je přiřazena vlastnímu označení. Vzdálenost mezi rovinami je velmi malá: pořadí několika angstromů (připomenutí, angstrom je 10^-10 metr nebo 0,1 nanometru).

Avšak letadla jednoho směru v každém skutečném krystalu, dokonce i velmi malém, jsou mnoho. Rentgenová difrakce jako metoda využívá tuto skutečnost: všechny vlny, které změnily směr v rovinách stejného směru se sčítají a poskytují na výstupu dostatečně jasný signál. Vědci tak mohou pochopit, v jakém směru se nacházejí krystaly těchto letadel, a posoudit vnitřní strukturu krystalové struktury. Nicméně pouze tato data nestačí. Kromě úhlu sklonu je třeba znát vzdálenost mezi rovinami. Bez toho můžete získat tisíce různých modelů struktury, ale nevíte přesnou odpověď. O tom, jak se vědci dozvědí o vzdálenosti mezi letadly, to bude trochu nižší.

Fenomén difrakce

Již jsme poskytli fyzické ospravedlnění toho, co je difrakce rentgenových paprsků na mřížce krystalů. Nicméně jsme ještě neřekli podstatu fenoménu difrakce. Takže difrakce je obklopující vlnami (včetně elektromagnetických) překážek. Tento jev se zdá být v rozporu se zákonem lineární optiky, ale není tomu tak. Je úzce spjata s interferencí a vlnovými vlastnostmi, například s fotony. Jestliže v cestě světla je překážka, pak díky difrakčním fotonům může "pohled" za rohem. Jak daleko směr šíření světla z přímých odchylek závisí na velikosti překážky. Čím menší je překážka, tím menší je délka elektromagnetické vlny. Proto je rentgenová difrakce na monokrystalů pomocí takových krátkých vlnových délek: vzdálenost mezi rovinami je velmi malé, optické fotony jsou prostě není „dostat přes“ mezi nimi, a to pouze odráží od povrchu.

Takový koncept je pravdivý, ale v moderní vědě je považován za příliš úzký. Pro rozšíření její definice i pro obecnou erudici uvádíme způsoby, jak projevit vlnové difrakce.

1. Změna prostorové struktury vln. Například rozšíření úhlu šíření vlnového paprsku, vychýlení vlny nebo množství vln v určitém zvoleném směru. Právě v této třídě tohoto jevu se jedná o přerušení vlnění překážek.
2. Rozpad vln do spektra.
3. Změna polarizace vln.
4. Transformace fázové struktury vln.

Fenomén difrakce, spolu s rušením odpovědný za to, že směr světelného paprsku na úzkou mezerou za ním vidíme ne jeden, ale několik světelných maximech. Čím dál je maximum od středu štěrbiny, tím vyšší je pořadí. Také při správné formulaci experiment stín konvenční šicí jehly (přirozeně tenké) je rozdělena do několika pásů, vyznačující se tím, že jehla přesně pozorované maximum světla, ne minimální.

Vzorec Wolf-Bragg

Již jsme řekli, že konečný signál je složen ze všech rentgenových fotonů, které se odrážejí z rovin s stejným sklonem uvnitř krystalu. Ale výpočet struktury přesně umožňuje jeden důležitý vztah. Bez ní by rentgenová difrakce byla zbytečná. Vzorec Wolf-Bragg vypadá takto: 2dsinþ = nlambda-. Zde d je vzdálenost mezi rovinami se stejným úhlem sklonu, theta je úhel sklouznutí (Braggův úhel) nebo úhel dopadu v rovině, n je pořadí difrakčního maxima, lambda - je vlnová délka. Protože je předem známo, které rentgenové spektrum se používá k získání dat a pod jakým úhlem toto záření spadá, umožňuje tento vzorec vypočítat hodnotu d. O trochu vyšší jsme již říkali, že bez těchto informací není možné získat přesně strukturu látky.

Moderní aplikace rentgenové difrakce

Naskýtá se otázka: V jakých případech je třeba tuto analýzu, vědci ve skutečnosti byly prozkoumány všechny světovou strukturu, a možná především v oblasti výroby nových látek nezahrnují lidi, jaké výsledky to bude? Existují čtyři odpovědi.

1. Ano, na naší planetě jsme se dobře naučili. Ale každý rok najdou nové minerály. Někdy je jejich konstrukce dokonce možno předpokládat, aniž by x-paprsky nefungovaly.
2. Mnoho vědců se snaží zlepšit vlastnosti stávajících materiálů. Tyto látky jsou podrobeny různým způsobům zpracování (tlak, teplota, lasery atd.). Někdy jsou elementy přidány nebo odstraněny z jejich struktury. Chcete-li porozumět tomu, co se v tomto případě vyskytlo v interním uspořádání, vám pomůže difrakce rentgenových zářičů na krystalech.
3. U některých aplikací (například pro aktivní média laserů, paměťových karet, optických prvků systémů sledování) krystaly musí velmi přesně splňovat požadavky. Proto je jejich struktura kontrolována pomocí této metody.
4. Rentgenová difrakce je jediný způsob, jak zjistit, kolik a jakých fází bylo dosaženo syntézou v vícesložkových systémech. Keramické prvky moderních technologií mohou sloužit jako příklad takových systémů. Přítomnost nežádoucích fází může vést k vážným následkům.

Vesmírný výzkum

Mnoho lidí se zeptal: „Proč máme obrovskou observatoř oběžné dráze kolem Země, proč potřebujeme rover, pokud lidstvo ještě nevyřešilo problémy chudoby a války?“

Každý bude mít své vlastní výhody a nevýhody, ale je zřejmé, že lidstvo by mělo mít sen.

Proto se podíváme na hvězdy, dnes můžeme s jistotou říci: víme o nich víc denně.

Rentgenové záření z procesů vyskytujících se ve vesmíru nedosahují na povrch naší planety, jsou absorbovány atmosférou. Tato část elektromagnetického spektra však nese spoustu údajů o jevech s vysokými energiemi. Proto musí být nástroje, které studují rentgenové záření, vyvedeny ze Země na oběžnou dráhu. Stávající stanice v současnosti zkoumají následující objekty:

• zbytky výbuchů supernovy;
• centra galaxií;
• neutronové hvězdy;
• černé díry;
• Srážky masivních objektů (galaxie, skupiny galaxií).

Překvapivě, pro různé projekty, přístup k těmto stanicím je poskytován studentům a dokonce i školákům. Studují rentgenové paprsky z hlubokého prostoru: difrakce, rušení, spektrum se stává předmětem jejich zájmu. A někteří velmi mladí uživatelé těchto vesmírných observatoří dělají objevy. Pečlivé čtenář může samozřejmě tvrdí, že mají něco, co prostě nemá čas obrazy ve vysokých rozlišeních, aby zvážila a všimněte si jemné detaily. A samozřejmě, důležitost objevů je zpravidla chápána pouze vážnými astronomy. Takové případy však inspirají mladé lidi, aby věnovali svůj život zkoumání vesmíru. A tento cíl je hoden následovat.

Tak, úspěchy Wilhelma Konráda Roentgena otevřely přístup ke hvězdným znalostem a schopnost dobýt jiné planety.