Šajā rakstā ir aprakstīta tāda lieta kā rentgenstaru difrakcija. Šīs parādības fiziskais pamats un tās pielietojumi ir izskaidroti šeit.
Tehnoloģijas jaunu materiālu izveidei
Inovācijas, nanotehnoloģijas ir mūsdienu pasaules tendence. Ziņas ir pilnas ar ziņām par jauniem revolucionāriem materiāliem. Taču retais domā par to, kāds milzīgs pētniecības aparāts ir nepieciešams zinātniekiem, lai radītu vismaz nelielu uzlabojumu esošajās tehnoloģijās. Viena no galvenajām parādībām, kas palīdz cilvēkiem to izdarīt, ir rentgenstaru difrakcija.
Elektromagnētiskais starojums
Vispirms jāpaskaidro, kas ir elektromagnētiskais starojums. Jebkurš kustīgs uzlādēts ķermenis rada ap sevi elektromagnētisko lauku. Šie lauki caurstrāvo visu apkārtējo, pat dziļā kosmosa vakuums nav no tiem brīvs. Ja šādā laukā ir periodiski traucējumi, kas var izplatīties telpā, tos sauc par elektromagnētisko starojumu. Lai to aprakstītu, tiek izmantoti tādi jēdzieni kā viļņa garums, frekvence un tā enerģija. Kas ir enerģija, tas ir intuitīvs, un viļņa garums ir attālums starpidentiskas fāzes (piemēram, starp diviem blakus esošiem maksimumiem). Jo augstāks ir viļņa garums (un attiecīgi frekvence), jo zemāka ir tā enerģija. Atcerieties, ka šie jēdzieni ir nepieciešami, lai īsi un kodolīgi aprakstītu, kas ir rentgenstaru difrakcija.
Elektromagnētiskais spektrs
Visi dažādi elektromagnētiskie stari atbilst īpašā mērogā. Atkarībā no viļņa garuma tie izšķir (no garākā līdz īsākajam):
- radio viļņi;
- terahercu viļņi;
- infrasarkanie viļņi;
- redzami viļņi;
- ultravioletie viļņi;
- rentgena viļņi;
- gamma starojums.
Tādējādi mūs interesējošajam starojumam ir ļoti īss viļņa garums un visaugstākās enerģijas (tāpēc to dažreiz sauc par cieto). Tāpēc mēs tuvojāmies tam, lai aprakstītu, kas ir rentgenstaru difrakcija.
Rentgenstaru izcelsme
Jo augstāka starojuma enerģija, jo grūtāk to iegūt mākslīgi. Uztaisījis uguni, cilvēks saņem daudz infrasarkanā starojuma, jo tas pārnes siltumu. Bet, lai notiktu rentgenstaru difrakcija ar telpiskām struktūrām, ir jāpieliek lielas pūles. Tātad šāda veida elektromagnētiskais starojums tiek atbrīvots, kad elektrons tiek izsists no atoma čaulas, kas atrodas tuvu kodolam. Augšpusē esošie elektroni mēdz aizpildīt iegūto caurumu, to pārejas un dot rentgenstaru fotonus. Arī strauji palēninot lādētas daļiņas ar masu (piemēram,elektroni), tiek ražoti šie augstas enerģijas stari. Tādējādi rentgenstaru difrakcija uz kristāla režģa ir saistīta ar diezgan liela enerģijas daudzuma iztērēšanu.
Rūpnieciskā mērogā šo starojumu iegūst šādi:
- Katods izstaro augstas enerģijas elektronu.
- Elektrons saduras ar anoda materiālu.
- Elektrons strauji palēninās (vienlaikus izstaro rentgena starus).
- Citā gadījumā bremzējošā daļiņa izsit elektronu no atoma zemās orbītas no anoda materiāla, kas arī rada rentgenstarus.
Ir arī jāsaprot, ka, tāpat kā jebkuram citam elektromagnētiskajam starojumam, rentgena stariem ir savs spektrs. Pats šis starojums tiek izmantots diezgan plaši. Ikviens zina, ka kaulu lūzums vai masa plaušās tiek meklēta ar rentgena palīdzību.
Kristāliskas vielas struktūra
Tagad mēs esam tuvu tam, kas ir rentgenstaru difrakcijas metode. Lai to izdarītu, ir jāpaskaidro, kā tiek sakārtots ciets ķermenis. Zinātnē par cietu ķermeni sauc jebkuru vielu kristāliskā stāvoklī. Koksne, māls vai stikls ir ciets, taču tiem trūkst galvenā: periodiskas struktūras. Bet kristāliem ir šī pārsteidzošā īpašība. Pats šīs parādības nosaukums satur tās būtību. Vispirms jums ir jāsaprot, ka atomi kristālā ir stingri fiksēti. Saitēm starp tām ir zināma elastības pakāpe, taču tās ir pārāk spēcīgas, lai atomi varētu pārvietoties iekšā.režģi. Šādas epizodes ir iespējamas, bet ar ļoti spēcīgu ārējo ietekmi. Piemēram, ja metāla kristāls ir saliekts, tajā veidojas dažāda veida punktveida defekti: vietām atoms atstāj savu vietu, veidojot vakanci, citās tas pārvietojas nepareizās pozīcijās, veidojot intersticiālu defektu. Liekuma vietā kristāls zaudē savu slaido kristālisko struktūru, kļūst ļoti bojāts, irdens. Tāpēc labāk nelietot saspraudi, kas vienreiz ir izlocīti, jo metāls ir zaudējis savas īpašības.
Ja atomi ir stingri fiksēti, tos vairs nevar nejauši sakārtot viens pret otru, kā tas ir šķidrumos. Viņiem ir jāorganizē sevi tā, lai samazinātu viņu mijiedarbības enerģiju. Tādējādi atomi sarindojas režģī. Katrā režģī ir minimālais atomu kopums, kas īpašā veidā izkārtots telpā - tā ir kristāla elementārā šūna. Ja mēs to pilnībā pārraidīsim, tas ir, apvienosim malas savā starpā, pārvietojot jebkurā virzienā, mēs iegūsim visu kristālu. Tomēr ir vērts atcerēties, ka šis ir modelis. Jebkuram īstajam kristālam ir defekti, un ir gandrīz neiespējami panākt absolūti precīzu tulkojumu. Mūsdienu silīcija atmiņas šūnas ir tuvu ideālajiem kristāliem. Tomēr to iegūšana prasa neticami daudz enerģijas un citu resursu. Laboratorijā zinātnieki iegūst dažāda veida perfektas struktūras, taču parasti to izveides izmaksas ir pārāk augstas. Bet mēs pieņemsim, ka visi kristāli ir ideāli: jebkurāvirzienā, vieni un tie paši atomi atradīsies vienādā attālumā viens no otra. Šo struktūru sauc par kristāla režģi.
Kristāla struktūras izpēte
Šī fakta dēļ ir iespējama rentgenstaru difrakcija uz kristāliem. Kristālu periodiskā struktūra rada tajos noteiktas plaknes, kurās ir vairāk atomu nekā citos virzienos. Dažreiz šīs plaknes nosaka kristāla režģa simetrija, dažreiz atomu savstarpējais izvietojums. Katrai lidmašīnai tiek piešķirts savs apzīmējums. Attālumi starp plaknēm ir ļoti mazi: vairāku angstrēmu secībā (atcerieties, angstroms ir 10-10 metrs jeb 0,1 nanometrs).
Tomēr jebkurā reālā kristālā, pat ļoti mazā, ir daudz viena virziena plakņu. Rentgenstaru difrakcija kā metode izmanto šo faktu: visi viļņi, kas mainījuši virzienu viena virziena plaknēs, tiek summēti, izejā dodot diezgan skaidru signālu. Tātad zinātnieki var saprast, kādos virzienos šīs plaknes atrodas kristāla iekšpusē, un spriest par kristāla struktūras iekšējo struktūru. Tomēr ar šiem datiem vien nepietiek. Papildus slīpuma leņķim jums jāzina arī attālums starp plaknēm. Bez tā jūs varat iegūt tūkstošiem dažādu struktūras modeļu, bet nezināt precīzu atbildi. Tas, kā zinātnieki uzzina par attālumu starp lidmašīnām, tiks apspriests tālāk.
Difrakcijas parādība
Mēs jau esam snieguši fizisku pamatojumu tam, kas ir rentgenstaru difrakcija uz kristālu telpiskā režģa. Tomēr mēs vēl neesam izskaidrojuši būtībudifrakcijas parādības. Tātad difrakcija ir šķēršļu noapaļošana ar viļņiem (ieskaitot elektromagnētiskos). Šķiet, ka šī parādība ir lineārās optikas likuma pārkāpums, bet tā nav. Tas ir cieši saistīts ar, piemēram, fotonu traucējumiem un viļņu īpašībām. Ja gaismas ceļā ir šķērslis, tad difrakcijas dēļ fotoni var “paskatīties” aiz stūra. Tas, cik tālu virzās gaismas virziens no taisnes, ir atkarīgs no šķēršļa lieluma. Jo mazāks šķērslis, jo mazākam jābūt elektromagnētiskā viļņa garumam. Tāpēc rentgenstaru difrakcija uz monokristāliem tiek veikta, izmantojot tik īsus viļņus: attālums starp plaknēm ir ļoti mazs, optiskie fotoni vienkārši “nelīdīs” starp tiem, bet tiks atspoguļoti tikai no virsmas.
Šāds jēdziens ir patiess, taču mūsdienu zinātnē to uzskata par pārāk šauru. Lai paplašinātu tās definīciju, kā arī vispārīgai erudīcijai, mēs piedāvājam metodes viļņu difrakcijas izpausmei.
- Viļņu telpiskās struktūras maiņa. Piemēram, viļņa stara izplatīšanās leņķa paplašināšanās, viļņa vai viļņu virknes novirze kādā vēlamajā virzienā. Tieši šai parādību klasei pieder viļņu izliekšanās ap šķēršļiem.
- Viļņu sadalīšana spektrā.
- Viļņu polarizācijas izmaiņas.
- Viļņu fāzes struktūras transformācija.
Difrakcijas fenomens kopā ar traucējumiem ir atbildīgs par to, ka, virzot gaismas staru uz šauru spraugu aiz tā, mēs redzam nevis vienu, bet vairākusgaismas maksimumi. Jo tālāk maksimums ir no slota vidus, jo augstāka ir tā secība. Turklāt ar pareizu eksperimenta iestatījumu ēna no parastas šujamadatas (protams, tievas) tiek sadalīta vairākās svītrās, un gaismas maksimums tiek novērots tieši aiz adatas, nevis minimālais.
Vulfa-Braga formula
Mēs jau teicām iepriekš, ka gala signāls ir visu rentgenstaru fotonu summa, kas atstarojas no plaknēm ar vienādu slīpumu kristāla iekšpusē. Bet viena svarīga sakarība ļauj precīzi aprēķināt struktūru. Bez tā rentgenstaru difrakcija būtu bezjēdzīga. Wulf-Bragg formula izskatās šādi: 2dsinƟ=nλ. Šeit d ir attālums starp plaknēm ar vienādu slīpuma leņķi, θ ir skatīšanās leņķis (Bragg leņķis) vai krišanas leņķis uz plaknes, n ir difrakcijas maksimuma secība, λ ir viļņa garums. Tā kā iepriekš ir zināms, kāds rentgena spektrs tiek izmantots datu iegūšanai un kādā leņķī šis starojums krīt, šī formula ļauj aprēķināt d vērtību. Mēs jau teicām nedaudz augstāk, ka bez šīs informācijas nav iespējams precīzi iegūt vielas struktūru.
Mūsdienu rentgenstaru difrakcijas pielietojums
Rodas jautājums: kādos gadījumos ir vajadzīga šī analīze, vai zinātnieki jau nav visu izpētījuši struktūras pasaulē un vai cilvēki, iegūstot principiāli jaunas vielas, neuzskata, kāds rezultāts viņus sagaida ? Ir četras atbildes.
- Jā, mēs diezgan labi iepazinām savu planētu. Bet katru gadu tiek atrasti jauni minerāli. Dažreiz to struktūra ir vienmērīgauzminēt bez rentgena stariem nedarbosies.
- Daudzi zinātnieki cenšas uzlabot jau esošo materiālu īpašības. Šīs vielas tiek pakļautas dažāda veida apstrādei (spiediens, temperatūra, lāzeri utt.). Dažreiz elementi tiek pievienoti vai noņemti no to struktūras. Rentgenstaru difrakcija uz kristāliem palīdzēs saprast, kādas iekšējas pārkārtošanās notika šajā gadījumā.
- Dažām lietojumprogrammām (piemēram, aktīvajiem datu nesējiem, lāzeriem, atmiņas kartēm, novērošanas sistēmu optiskajiem elementiem) kristāliem jābūt ļoti precīzi saskaņotiem. Tāpēc to struktūra tiek pārbaudīta, izmantojot šo metodi.
- Rentgenstaru difrakcija ir vienīgais veids, kā noskaidrot, cik un kuras fāzes iegūtas sintēzes laikā daudzkomponentu sistēmās. Par šādu sistēmu piemēru var kalpot mūsdienu tehnoloģiju keramikas elementi. Nevēlamu fāžu klātbūtne var izraisīt nopietnas sekas.
Kosmosa izpēte
Daudzi cilvēki jautā: "Kāpēc mums ir vajadzīgas milzīgas observatorijas Zemes orbītā, kāpēc mums ir vajadzīgs roveris, ja cilvēce vēl nav atrisinājusi nabadzības un kara problēmas?"
Katram ir savi iemesli par un pret, taču ir skaidrs, ka cilvēcei ir jābūt sapnim.
Tāpēc, raugoties uz zvaigznēm, šodien varam ar pārliecību teikt: katru dienu par tām uzzinām arvien vairāk.
Kosmosā notiekošo procesu rentgenstari nesasniedz mūsu planētas virsmu, tos absorbē atmosfēra. Bet šī daļaElektromagnētiskais spektrs satur daudz datu par augstas enerģijas parādībām. Tāpēc instrumenti, kas pēta rentgenstarus, ir jāizņem no Zemes, orbītā. Šobrīd esošās stacijas pēta šādus objektus:
- supernovas sprādzienu paliekas;
- galaktiku centri;
- neitronu zvaigznes;
- melnie caurumi;
- masīvu objektu (galaktiku, galaktiku grupu) sadursmes.
Pārsteidzoši, ka saskaņā ar dažādiem projektiem piekļuve šīm stacijām tiek nodrošināta studentiem un pat skolēniem. Viņi pēta rentgenstarus, kas nāk no dziļā kosmosa: difrakcija, traucējumi, spektrs kļūst par viņu intereses objektu. Un daži ļoti jauni šo kosmosa observatoriju lietotāji veic atklājumus. Rūpīgs lasītājs, protams, var iebilst, ka viņam vienkārši ir laiks apskatīt augstas izšķirtspējas attēlus un pamanīt smalkas detaļas. Un, protams, atklājumu nozīmi, kā likums, saprot tikai nopietni astronomi. Taču šādi gadījumi iedvesmo jauniešus veltīt savu dzīvi kosmosa izpētei. Un uz šo mērķi ir vērts tiekties.
Tādējādi Vilhelma Konrāda Rentgena sasniegumi pavēra piekļuvi zvaigžņu zināšanām un spējai iekarot citas planētas.
