Бул макалада рентген нурларынын дифракциясы сыяктуу нерсенин сүрөттөлүшү камтылган. Бул көрүнүштүн физикалык негиздери жана анын колдонулушу бул жерде түшүндүрүлөт.
Жаңы материалдарды түзүү технологиялары
Инновация, нанотехнология - заманбап дүйнөнүн тенденциясы. Жанылыктар революциячыл жаны материалдар женундегу кабарларга жык толгон. Бирок аз эле адамдар илимпоздор иштеп жаткан технологияларды, жок эле дегенде, бир аз жакшыртууну түзүү үчүн кандай зор изилдөө аппараты керек деп ойлошот. Адамдарга муну жасоого жардам берген негизги кубулуштардын бири – рентген нурларынын дифракциясы.
Электромагниттик нурлануу
Адегенде электромагниттик нурлануу деген эмне экенин түшүндүрүп алышыңыз керек. Ар кандай кыймылдуу заряддуу дене өзүнүн айланасында электромагниттик талааны жаратат. Бул талаалар айлананын баарын каптап турат, жада калса терең мейкиндиктин боштугу да алардан бош эмес. Эгерде мындай талаада мейкиндикте тарай турган мезгилдүү толкундоолор болсо, алар электромагниттик нурлануу деп аталат. Аны сүрөттөө үчүн толкун узундугу, жыштык жана анын энергиясы сыяктуу түшүнүктөр колдонулат. Энергия деген эмне интуитивдик, ал эми толкун узундугу ортосундагы аралыкбирдей фазалар (мисалы, эки чектеш максимум ортосунда). Толкун узундугу (жана, демек, жыштык) канчалык жогору болсо, анын энергиясы ошончолук төмөн болот. Эске салсак, бул түшүнүктөр рентген нурларынын дифракциясы эмне экенин кыска жана так сүрөттөп берүү үчүн зарыл.
Электромагниттик спектр
Электромагниттик нурлардын бардык түрлөрү атайын масштабга туура келет. Толкун узундугуна жараша алар (эң узунунан эң кыскасына чейин) айырмалайт:
- радио толкундар;
- терагерц толкундары;
- инфракызыл толкундар;
- көрүнүүчү толкундар;
- ультра кызгылт көк толкундар;
- Рентген толкундары;
- гамма нурлануу.
Ошентип, бизди кызыктырган радиациянын толкун узундугу өтө кыска жана энергиясы эң жогору (ошондуктан аны кээде катуу деп аташат). Ошондуктан, биз рентген нурларынын дифракциясы эмне экенин сүрөттөөгө жакындап жатабыз.
Рентген нурларынын келип чыгышы
Радиация энергиясы канчалык жогору болсо, аны жасалма жол менен алуу ошончолук кыйын болот. Өрт чыгаргандан кийин, адам инфракызыл нурланууну көп алат, анткени ал жылуулукту өткөрүп берет. Бирок рентген нурларынын мейкиндик түзүмдөрүнүн дифракциясы болушу үчүн көп күч-аракет жумшоо керек. Ошентип, электромагниттик нурлануунун мындай түрү электрон ядрого жакын турган атомдун кабыгынан чыгып кеткенде чыгат. Жогоруда жайгашкан электрондор пайда болгон тешикти, алардын өтүшүн толтуруп, рентген фотондорун берет. Ошондой эле массасы бар заряддуу бөлүкчөлөрдүн кескин басаңдоосунда (мисалы,электрондор), бул жогорку энергиялуу нурлар өндүрүлөт. Ошентип, кристаллдык тордогу рентген нурларынын дифракциясы жетишерлик чоң көлөмдөгү энергиянын чыгымдалышы менен коштолот.
Өнөр жай масштабында бул нурлануу төмөнкүдөй алынат:
- Катод жогорку энергиялуу электронду чыгарат.
- Электрон аноддун материалы менен кагылышат.
- Электрон кескин басаңдайт (рентген нурларын чыгарып жатканда).
- Башка учурда, жайлоочу бөлүкчө атомдун төмөнкү орбитасынан электронду аноддук материалдан чыгарып салат, ал дагы рентген нурларын жаратат.
Башка электромагниттик нурлануулар сыяктуу эле рентген нурларынын да өз спектри бар экенин түшүнүү зарыл. Бул нурлануунун өзү абдан кеңири колдонулат. Сынган сөөктү же өпкөдөгү массаны рентген нурларынын жардамы менен издей турганын баары билет.
Кристалдык заттын түзүлүшү
Эми биз рентген нурларынын дифракция ыкмасы эмне экенине жакындап калдык. Бул үчүн катуу дененин кантип тизилгенин түшүндүрүү керек. Илимде катуу дене кристаллдык абалдагы каалаган зат деп аталат. Жыгач, чопо же айнек катуу, бирок аларда негизги нерсе жок: мезгилдүү түзүлүш. Бирок кристаллдар бул кереметтүү касиетке ээ. Бул кубулуштун аты эле анын маңызын камтыйт. Адегенде кристаллдагы атомдор катуу бекитилгенин түшүнүшүңүз керек. Алардын ортосундагы байланыштар кандайдыр бир деңгээлде ийкемдүүлүккө ээ, бирок алар атомдор ичинде кыймылдай албагандай күчтүү.торлор. Мындай эпизоддор мүмкүн, бирок абдан күчтүү тышкы таасири менен. Мисалы, металл кристалл ийилген болсо, анда ар кандай типтеги чекит кемчиликтери пайда болот: кээ бир жерлерде атом өз ордун таштап, боштук пайда кылат, башкаларында туура эмес орундарга жылып, интерстициалдык кемтикти пайда кылат. Ийилген жерде кристалл өзүнүн ичке кристаллдык түзүлүшүн жоготот, өтө бузулуп, бошоп калат. Ошондуктан, металл касиетин жоготуп койгондуктан, бир жолу ийилген кагазды колдонбогонуңуз оң.
Эгер атомдор катуу бекитилсе, алар суюктуктардагыдай бири-бирине карата туш келди жайгаша албайт. Алар өз ара аракеттенүүнүн энергиясын минималдаштыргыдай кылып уюштурушу керек. Ошентип, атомдор торчодо тизилет. Ар бир тордо мейкиндикте өзгөчө түрдө тизилген атомдордун минималдуу жыйындысы бар - бул кристаллдын элементардык клеткасы. Эгерде биз аны толугу менен эфирге чыгарсак, башкача айтканда, четтерин бири-бири менен бириктирип, каалаган тарапка жылдырсак, биз бүт кристаллга ээ болобуз. Бирок, бул модель экенин эстен чыгарбоо керек. Ар кандай чыныгы кристалл кемчиликтери бар, жана бул таптакыр так котормо жетүү дээрлик мүмкүн эмес. Заманбап кремний эс тутум клеткалары идеалдуу кристаллдарга жакын. Бирок, аларды алуу укмуштуудай көлөмдөгү энергияны жана башка ресурстарды талап кылат. Лабораторияда илимпоздор ар кандай түрдөгү кемчиликсиз түзүлүштөрдү алышат, бирок, эреже катары, аларды түзүүнүн баасы өтө жогору. Бирок биз бардык кристаллдар идеалдуу деп ойлойбуз: каалаганындабагыты боюнча, ошол эле атомдор бири-биринен бирдей аралыкта жайгашат. Бул түзүлүш кристаллдык тор деп аталат.
Кристалл структурасын изилдөө
Бул кристаллдарда рентген нурларынын дифракциясы болушу мүмкүн экендигине байланыштуу. Кристаллдардын мезгилдик түзүлүшү аларда башка багыттарга караганда атомдор көп болгон белгилүү тегиздиктерди түзөт. Кээде бул тегиздиктер кристалл торчосунун симметриясы менен, кээде атомдордун өз ара жайгашуусу менен белгиленет. Ар бир самолетко өзүнүн белгиси ыйгарылат. Учактардын ортосундагы аралыктар өтө кичинекей: бир нече ангстром тартиби боюнча (эсте кетсек, ангстром 10-10 метр же 0,1 нанометр).
Бирок, ар кандай чыныгы кристаллда, атүгүл өтө кичинекейинде бир багыттагы көптөгөн учактар бар. Рентген нурларынын дифракциясы метод катары бул чындыкты колдонот: бир багыттагы тегиздикте багытын өзгөрткөн бардык толкундар жыйынтыкталат, бул чыгууда бир кыйла так сигнал берет. Ошентип, окумуштуулар бул учактар кристаллдын ичинде кайсы багытта жайгашканын түшүнүп, кристалл структурасынын ички түзүлүшүн соттой алышат. Бирок, бул маалыматтар гана жетиштүү эмес. Жантаюунун бурчунан тышкары, учактардын ортосундагы аралыкты да билишиңиз керек. Ансыз сиз түзүмдүн миңдеген ар кандай моделдерин ала аласыз, бирок так жоопту билбейсиз. Окумуштуулар учактардын ортосундагы аралыкты кантип билишкени төмөндө талкууланат.
Дифракция кубулушу
Биз кристаллдардын мейкиндик торчолорунда рентген нурларынын дифракциясы эмне экенин физикалык жактан негиздегенбиз. Бирок анын маңызын түшүндүрө элекпиздифракция кубулуштары. Ошентип, дифракция - бул тоскоолдуктарды толкундар (анын ичинде электромагниттик) менен тегеректөө. Бул кубулуш сызыктуу оптика мыйзамын бузуу сыяктуу көрүнөт, бирок андай эмес. Ал, мисалы, фотондордун интерференция жана толкун касиеттери менен тыгыз байланышта. Эгерде жарыктын жолунда бир тоскоолдук болсо, анда дифракциядан улам фотондор бурчту «карап» алат. Жарыктын багыты түз сызыктан канчалык алыска тарашы тоскоолдуктун өлчөмүнө жараша болот. Тоскоолдук канчалык аз болсо, электромагниттик толкундун узундугу ошончолук кыска болушу керек. Мына ошондуктан монокристаллдардагы рентген нурларынын дифракциясы ушундай кыска толкундардын жардамы менен ишке ашырылат: тегиздиктердин ортосундагы аралык өтө кичинекей, оптикалык фотондор алардын ортосунда жөн эле «сойлобой», бетинен гана чагылышып турат.
Мындай түшүнүк туура, бирок азыркы илимде ал өтө тар деп эсептелет. Анын аныктамасын кеңейтүү үчүн, ошондой эле жалпы эрудиция үчүн биз толкун дифракциясынын көрүнүшүнүн ыкмаларын сунуштайбыз.
- Толкундардын мейкиндик түзүлүшүн өзгөртүү. Мисалы, толкун шооласынын таралуу бурчунун кеңейиши, толкундун же кандайдыр бир артыкчылыктуу багытта бир катар толкундун кыйшаюусу. Тоскоолдуктарды тегерете бүгүлүү дал ушул кубулуш классына таандык.
- Толкундардын спектрге бөлүнүшү.
- Толкундун поляризациясынын өзгөрүшү.
- Толкундардын фазалык түзүлүшүнүн трансформациясы.
Дифракция кубулушу интерференция менен бирге жарык шооласы анын артындагы кууш тешикке багытталганда, биз бир эмес, бир нечежарык максималдуу. Максимум уячанын ортосунан канчалык алыс болсо, анын тартиби ошончолук жогору болот. Мындан тышкары, эксперименттин туура орнотулушу менен кадимки тигүү ийнесинин көлөкөсү (албетте, ичке) бир нече тилкеге бөлүнөт жана жарык максимуму минимум эмес, так ийненин артында байкалат.
Вульф-Брагг формуласы
Жогоруда акыркы сигнал кристаллдын ичинде бирдей эңкейиштеги тегиздиктен чагылышкан бардык рентген фотондорунун жыйындысы экенин айттык. Бирок бир маанилүү байланыш түзүмүн так эсептөөгө мүмкүндүк берет. Ансыз рентген нурларынын дифракциясы пайдасыз болмок. Wulf-Bragg формуласы төмөнкүдөй көрүнөт: 2dsinƟ=nλ. Бул жерде d – эңкейиш бурчу бирдей тегиздиктердин ортосундагы аралык, θ – көз чаптыруу бурчу (Брегг бурчу), же тегиздикке түшүү бурчу, n – дифракциянын максимумунун тартиби, λ – толкун узундугу. Маалыматтарды алуу үчүн кайсы рентген спектри колдонулары жана бул нурлануу кандай бурчка түшөрү алдын ала белгилүү болгондуктан, бул формула d-нын маанисин эсептөөгө мүмкүндүк берет. Бул маалыматсыз заттын түзүмүн так алуу мүмкүн эмес деп бир аз жогорураак айттык.
Рентген нурларынын дифракциясынын заманбап колдонулушу
Суроо туулат: бул анализ кандай учурларда керек, илимпоздор түзүлүш дүйнөсүндөгү бардыгын изилдеп бүтпөйбү жана адамдар принципиалдуу жаңы заттарды алууда аларды кандай жыйынтык күтүп турганын ойлошпойбу? ? Төрт жооп бар.
- Ооба, биз планетабызды жакшы билдик. Бирок жыл сайын жаңы минералдар табылып жатат. Кээде алардын түзүлүшү тегиз болотрентген нурлары жок иштебейт.
- Көптөгөн окумуштуулар мурунтан эле бар материалдардын касиеттерин жакшыртууга аракет кылып жатышат. Бул заттар кайра иштетүүнүн ар кандай түрлөрүнө (басым, температура, лазер жана башкалар) дуушар болушат. Кээде элементтер алардын структурасына кошулуп же алынып салынат. Кристаллдардагы рентген нурларынын дифракциясы бул учурда кандай ички кайра түзүлүштөр болгонун түшүнүүгө жардам берет.
- Кээ бир колдонмолор үчүн (мисалы, активдүү медиа, лазерлер, эстутум карталары, байкоо тутумдарынын оптикалык элементтери) кристаллдар абдан так дал келиши керек. Ошондуктан, алардын түзүмү ушул ыкма менен текшерилет.
- Рентген нурларынын дифракциясы – көп компоненттүү системаларда синтез учурунда канча жана кайсы фазалар алынганын билүүнүн жалгыз жолу. Мындай системалардын мисалы катары заманбап технологиянын керамикалык элементтери кызмат кыла алат. Керексиз фазалардын болушу олуттуу кесепеттерге алып келиши мүмкүн.
Космосту изилдөө
Көпчүлүк адамдар: "Эмне үчүн бизге Жердин орбитасында эбегейсиз зор обсерваториялар керек, эгерде адамзат жакырчылык жана согуш көйгөйлөрүн чече элек болсо, эмне үчүн бизге ровер керек?"
Ар кимдин өз себептери бар жана ага каршы, бирок адамзаттын кыялы болушу керек экени анык.
Ошондуктан, жылдыздарды карап, биз бүгүн ишенимдүү айта алабыз: биз алар жөнүндө күн сайын көбүрөөк билебиз.
Космосто болуп жаткан процесстердин рентген нурлары биздин планетанын бетине жетпейт, алар атмосферага сиңет. Бирок бул бөлүгүЭлектромагниттик спектр жогорку энергиялуу кубулуштар жөнүндө көптөгөн маалыматтарды камтыйт. Ошондуктан рентген нурларын изилдеген приборлорду Жерден, орбитага алып чыгуу керек. Учурда иштеп жаткан станциялар төмөнкү объекттерди изилдеп жатышат:
- супернова жарылууларынын калдыктары;
- галактикалардын борборлору;
- нейтрон жылдыздары;
- кара тешиктер;
- массалык объекттердин кагылышуусу (галактикалар, галактикалар топтору).
Таң калыштуусу, ар кандай долбоорлорго ылайык, бул станцияларга кирүү студенттерге, ал тургай мектеп окуучуларына да каралган. Алар терең мейкиндиктен келген рентген нурларын изилдешет: дифракция, интерференция, спектр алардын кызыгуусунун предмети болуп калат. Ал эми бул космостук обсерваториялардын кээ бир абдан жаш колдонуучулары ачылыштарды жасап жатышат. Кылдат окурман, албетте, жогорку чечилиштеги сүрөттөрдү карап, майда-чүйдөсүнө чейин байкаганга убакыт бар деп каршы чыгышы мүмкүн. Анан албетте, ачылыштардын маанисин, эреже катары, олуттуу астрономдор гана түшүнүшөт. Бирок мындай учурлар жаштарды өз өмүрүн космос мейкиндигин изилдөөгө арноого шыктандырат. Бул максатка жетүүгө татыктуу.
Ошентип, Вильгельм Конрад Рентгендин жетишкендиктери жылдыздардын билимине жана башка планеталарды багынтуу мүмкүнчүлүгүнө жол ачты.
