Tento článek obsahuje popis takové věci, jako je rentgenová difrakce. Fyzikální základ tohoto jevu a jeho aplikace jsou vysvětleny zde.
Technologie pro vytváření nových materiálů
Inovace, nanotechnologie jsou trendem moderního světa. Novinky jsou plné zpráv o nových revolučních materiálech. Málokdo se ale zamyslí nad tím, jaký obrovský výzkumný aparát vědci potřebují k vytvoření alespoň malého vylepšení stávajících technologií. Jedním ze základních jevů, které lidem v tom pomáhají, je rentgenová difrakce.
Elektromagnetické záření
Nejprve musíte vysvětlit, co je elektromagnetické záření. Jakékoli pohybující se nabité těleso kolem sebe vytváří elektromagnetické pole. Tato pole prostupují vše kolem, dokonce ani vakuum hlubokého vesmíru z nich není osvobozeno. Pokud v takovém poli dochází k periodickým poruchám, které se mohou šířit prostorem, nazývají se elektromagnetické záření. K jeho popisu se používají pojmy jako vlnová délka, frekvence a její energie. Co je energie, je intuitivní a vlnová délka je vzdálenost mezi nimiidentické fáze (například mezi dvěma sousedními maximy). Čím vyšší je vlnová délka (a tedy i frekvence), tím nižší je jeho energie. Připomeňme, že tyto pojmy jsou nezbytné k popisu toho, co je rentgenová difrakce stručně a výstižně.
Elektromagnetické spektrum
Všechny různé elektromagnetické paprsky se vejdou do speciálního měřítka. V závislosti na vlnové délce rozlišují (od nejdelší po nejkratší):
- rádiové vlny;
- terahertzové vlny;
- infračervené vlny;
- viditelné vlny;
- ultrafialové vlny;
- Rentgenové vlny;
- gama záření.
Záření, které nás zajímá, má tedy velmi krátkou vlnovou délku a nejvyšší energie (proto se mu někdy říká tvrdé). Proto se přibližujeme k popisu toho, co je rentgenová difrakce.
Původ rentgenového záření
Čím vyšší je energie záření, tím obtížnější je ji uměle získat. Po zapálení dostává člověk hodně infračerveného záření, protože právě ono přenáší teplo. Ale aby k difrakci rentgenového záření prostorovými strukturami došlo, je třeba vynaložit velké úsilí. Tento druh elektromagnetického záření se tedy uvolňuje, když je elektron vyražen z obalu atomu, který je blízko jádra. Elektrony umístěné nahoře mají tendenci vyplňovat výslednou díru, jejich přechody a dávat rentgenové fotony. Také při prudkém zpomalení nabitých částic s hmotností (např.elektrony), vznikají tyto vysokoenergetické paprsky. Difrakce rentgenového záření na krystalové mřížce je tedy doprovázena výdejem poměrně velkého množství energie.
V průmyslovém měřítku se toto záření získává následovně:
- Katoda vyzařuje vysokoenergetický elektron.
- Elektron se srazí s materiálem anody.
- Elektron prudce zpomaluje (při vyzařování rentgenového záření).
- V jiném případě zpomalující částice vyrazí elektron z nízké oběžné dráhy atomu z materiálu anody, který také generuje rentgenové záření.
Je také nutné pochopit, že jako každé jiné elektromagnetické záření má rentgenové záření své vlastní spektrum. Toto záření samo o sobě se používá poměrně široce. Každý ví, že zlomená kost nebo hmota v plicích se hledá pomocí rentgenu.
Struktura krystalické látky
Nyní se dostáváme blízko k tomu, co je metoda rentgenové difrakce. K tomu je nutné vysvětlit, jak je uspořádáno pevné těleso. Ve vědě se pevné těleso nazývá jakákoli látka v krystalickém stavu. Dřevo, hlína nebo sklo jsou pevné, ale chybí jim to hlavní: periodická struktura. Ale krystaly mají tuto úžasnou vlastnost. Samotný název tohoto fenoménu obsahuje jeho podstatu. Nejprve musíte pochopit, že atomy v krystalu jsou pevně fixovány. Vazby mezi nimi mají určitý stupeň elasticity, ale jsou příliš silné na to, aby se atomy uvnitř pohybovaly.mřížky. Takové epizody jsou možné, ale s velmi silným vnějším vlivem. Pokud je například kovový krystal ohnutý, tvoří se v něm bodové defekty různého typu: na některých místech atom opustí své místo a vytvoří vakanci, jinde se přesune do nesprávných poloh a vytvoří intersticiální defekt. V místě ohybu krystal ztrácí svou štíhlou krystalickou strukturu, stává se velmi defektním, volným. Proto je lepší nepoužívat jednou neohnutou kancelářskou sponku, protože kov ztratil své vlastnosti.
Pokud jsou atomy pevně fixovány, nemohou již být vzájemně náhodně uspořádány, jako je tomu v kapalinách. Musí se organizovat takovým způsobem, aby minimalizovali energii jejich interakce. Atomy se tedy seřadí do mřížky. V každé mřížce je minimální soubor atomů uspořádaných zvláštním způsobem v prostoru - to je elementární buňka krystalu. Pokud jej vysíláme celý, to znamená, že spojíme hrany mezi sebou a posuneme v libovolném směru, dostaneme celý krystal. Je však třeba připomenout, že se jedná o model. Každý skutečný krystal má vady a je téměř nemožné dosáhnout absolutně přesného překladu. Moderní křemíkové paměťové buňky se blíží ideálním krystalům. Jejich získání však vyžaduje neuvěřitelné množství energie a dalších zdrojů. V laboratoři vědci získávají dokonalé struktury různého druhu, ale náklady na jejich vytvoření jsou zpravidla příliš vysoké. Ale budeme předpokládat, že všechny krystaly jsou ideální: v jakémkolisměru, budou stejné atomy umístěny ve stejných vzdálenostech od sebe. Tato struktura se nazývá krystalová mřížka.
Studium krystalové struktury
Díky této skutečnosti je možná difrakce rentgenového záření na krystalech. Periodická struktura krystalů v nich vytváří určité roviny, ve kterých je více atomů než v jiných směrech. Někdy jsou tyto roviny nastaveny symetrií krystalové mřížky, někdy vzájemným uspořádáním atomů. Každé letadlo má přiděleno své vlastní označení. Vzdálenosti mezi rovinami jsou velmi malé: v řádu několika angstromů (připomeňme, angstrom je 10-10 metr nebo 0,1 nanometru).
V každém skutečném krystalu, dokonce i ve velmi malém, je však mnoho rovin stejného směru. Rentgenová difrakce jako metoda využívá tohoto faktu: všechny vlny, které změnily směr v rovinách stejného směru, jsou sečteny, což dává na výstupu poměrně jasný signál. Vědci tak mohou pochopit, v jakých směrech jsou tyto roviny umístěny uvnitř krystalu, a posoudit vnitřní strukturu krystalové struktury. Tyto údaje však samy o sobě nestačí. Kromě úhlu sklonu musíte znát i vzdálenost mezi rovinami. Bez toho můžete získat tisíce různých modelů struktury, ale neznáte přesnou odpověď. Jak se vědci dozvědí o vzdálenosti mezi letadly, bude diskutováno níže.
Difrakční fenomén
Již jsme fyzicky zdůvodnili, co je rentgenová difrakce na prostorové mřížce krystalů. Podstatu jsme si však ještě nevysvětlilidifrakční jevy. Difrakce je tedy zaoblování překážek vlnami (včetně elektromagnetických). Zdá se, že tento jev je porušením zákona lineární optiky, ale není. Úzce souvisí s interferencemi a vlnovými vlastnostmi např. fotonů. Pokud je v cestě světlu překážka, pak se díky difrakci mohou fotony „podívat“za roh. Jak daleko se směr světla šíří od přímky závisí na velikosti překážky. Čím menší překážka, tím kratší by měla být délka elektromagnetické vlny. Proto se rentgenová difrakce na monokrystalech provádí pomocí tak krátkých vln: vzdálenost mezi rovinami je velmi malá, optické fotony mezi nimi prostě „nelezou“, ale budou se pouze odrážet od povrchu.
Takový koncept je pravdivý, ale v moderní vědě je považován za příliš úzký. Pro rozšíření její definice a také pro obecnou erudici uvádíme metody pro projev vlnové difrakce.
- Změna prostorové struktury vln. Například rozšíření úhlu šíření vlnového paprsku, vychýlení vlny nebo série vln v nějakém preferovaném směru. Právě do této třídy jevů patří ohýbání vln kolem překážek.
- Rozklad vln do spektra.
- Změna polarizace vln.
- Transformace fázové struktury vln.
Jev difrakce je spolu s interferencí zodpovědný za to, že když je paprsek světla nasměrován do úzké štěrbiny za ním, nevidíme jeden, ale několiksvětelná maxima. Čím dále je maximum od středu slotu, tím vyšší je jeho pořadí. Navíc při správném nastavení experimentu se stín z obyčejné šicí jehly (samozřejmě tenké) rozdělí do několika pruhů a přesně za jehlou se pozoruje světelné maximum, nikoli minimum.
Wulf-Braggův vzorec
Už jsme si řekli výše, že konečný signál je součtem všech rentgenových fotonů, které se odrážejí od rovin se stejným sklonem uvnitř krystalu. Ale jeden důležitý vztah umožňuje přesně vypočítat strukturu. Bez něj by byla rentgenová difrakce k ničemu. Wulf-Braggův vzorec vypadá takto: 2dsinƟ=nλ. Zde d je vzdálenost mezi rovinami se stejným úhlem sklonu, θ je úhel pohledu (Braggův úhel) nebo úhel dopadu na rovinu, n je řád difrakčního maxima, λ je vlnová délka. Protože je předem známo, jaké rentgenové spektrum se používá k získání dat a pod jakým úhlem toto záření dopadá, tento vzorec nám umožňuje vypočítat hodnotu d. O něco výše jsme již řekli, že bez těchto informací není možné přesně získat strukturu látky.
Moderní aplikace rentgenové difrakce
Vyvstává otázka: v jakých případech je tato analýza potřebná, zdali vědci již ve světě struktury neprozkoumali vše a nepředpokládají lidé při získávání zásadně nových látek, jaký výsledek je čeká? ? Existují čtyři odpovědi.
- Ano, naši planetu jsme docela dobře poznali. Ale každý rok se objevují nové minerály. Někdy je jejich struktura rovnoměrnáhádám, že bez rentgenových paprsků to nebude fungovat.
- Mnoho vědců se snaží zlepšit vlastnosti již existujících materiálů. Tyto látky podléhají různým druhům zpracování (tlak, teplota, lasery atd.). Někdy jsou prvky přidány nebo odebrány z jejich struktury. Rentgenová difrakce na krystalech pomůže pochopit, k jakým vnitřním přeskupením v tomto případě došlo.
- U některých aplikací (např. aktivní média, lasery, paměťové karty, optické prvky sledovacích systémů) musí být krystaly velmi přesně spárovány. Proto je jejich struktura kontrolována pomocí této metody.
- Rentgenová difrakce je jediný způsob, jak zjistit, kolik a které fáze byly získány během syntézy ve vícesložkových systémech. Příkladem takových systémů mohou být keramické prvky moderní technologie. Přítomnost nežádoucích fází může vést k vážným následkům.
Průzkum vesmíru
Mnoho lidí se ptá: „Proč potřebujeme obrovské observatoře na oběžné dráze Země, proč potřebujeme rover, když lidstvo dosud nevyřešilo problémy chudoby a války?“
Každý má své vlastní důvody pro a proti, ale je jasné, že lidstvo musí mít sen.
Při pohledu na hvězdy tedy dnes můžeme s jistotou říci: víme o nich každým dnem víc a víc.
Rentgenové záření z procesů probíhajících ve vesmíru se nedostává na povrch naší planety, je pohlcováno atmosférou. Ale tato částElektromagnetické spektrum nese mnoho údajů o vysokoenergetických jevech. Proto musí být přístroje, které studují rentgenové záření, vyvezeny ze Země na oběžnou dráhu. V současné době existující stanice studují následující objekty:
- zbytky výbuchů supernov;
- centra galaxií;
- neutronové hvězdy;
- černé díry;
- srážky hmotných objektů (galaxie, skupiny galaxií).
Překvapivě je podle různých projektů přístup k těmto stanicím poskytován studentům a dokonce i školákům. Studují rentgenové záření přicházející z hlubokého vesmíru: předmětem jejich zájmu se stává difrakce, interference, spektrum. A někteří velmi mladí uživatelé těchto vesmírných observatoří dělají objevy. Pečlivý čtenář může samozřejmě namítnout, že má čas si prohlížet obrázky ve vysokém rozlišení a všímat si jemných detailů. A samozřejmě důležitost objevů zpravidla chápou pouze seriózní astronomové. Ale takové případy inspirují mladé lidi, aby zasvětili svůj život průzkumu vesmíru. A tento cíl stojí za to sledovat.
Úspěchy Wilhelma Conrada Roentgena tedy otevřely přístup k hvězdným znalostem a schopnosti dobýt jiné planety.
