Hierdie artikel bevat 'n beskrywing van iets soos X-straaldiffraksie. Die fisiese basis van hierdie verskynsel en die toepassings daarvan word hier verduidelik.
Tegnologieë vir die skep van nuwe materiaal
Innovasie, nanotegnologie is die neiging van die moderne wêreld. Die nuus is vol berigte van nuwe revolusionêre materiaal. Maar min mense dink oor wat 'n groot navorsingsapparaat wetenskaplikes nodig het om ten minste 'n klein verbetering in bestaande tegnologieë te skep. Een van die fundamentele verskynsels wat mense help om dit te doen, is X-straaldiffraksie.
Elektromagnetiese straling
Eers moet jy verduidelik wat elektromagnetiese straling is. Enige bewegende gelaaide liggaam genereer 'n elektromagnetiese veld om homself. Hierdie velde deurdring alles rondom, selfs die vakuum van diep ruimte is nie vry daarvan nie. As daar in so 'n veld periodieke versteurings is wat in die ruimte kan voortplant, word dit elektromagnetiese straling genoem. Om dit te beskryf, word konsepte soos golflengte, frekwensie en die energie daarvan gebruik. Wat energie is, is intuïtief, en die golflengte is die afstand tussenidentiese fases (byvoorbeeld tussen twee aangrensende maksima). Hoe hoër die golflengte (en dienooreenkomstig die frekwensie), hoe laer is sy energie. Onthou dat hierdie konsepte nodig is om te beskryf wat X-straaldiffraksie is bondig en bondig.
Elektromagnetiese spektrum
Alle verskeidenheid elektromagnetiese strale pas op 'n spesiale skaal. Na gelang van die golflengte onderskei hulle (van die langste na die kortste):
- radiogolwe;
- terahertz-golwe;
- infrarooi golwe;
- sigbare golwe;
- ultravioletgolwe;
- X-straalgolwe;
- gammastraling.
Daarom het die straling waarin ons belangstel 'n baie kort golflengte en die hoogste energieë (dit is hoekom dit soms hard genoem word). Daarom kom ons nader daaraan om te beskryf wat X-straaldiffraksie is.
Die oorsprong van X-strale
Hoe hoër die stralingsenergie, hoe moeiliker is dit om dit kunsmatig te verkry. Nadat 'n mens 'n vuur gemaak het, ontvang 'n persoon baie infrarooi straling, want dit is dit wat hitte oordra. Maar vir die diffraksie van X-strale deur ruimtelike strukture om plaas te vind, moet baie moeite gedoen word. So, hierdie soort elektromagnetiese straling word vrygestel wanneer 'n elektron uit die dop van 'n atoom, wat naby die kern is, geslaan word. Die elektrone hierbo is geneig om die resulterende gat, hul oorgange te vul en X-straalfotone te gee. Ook tydens skerp vertraging van gelaaide deeltjies met massa (byvoorbeeld,elektrone), word hierdie hoë-energie strale geproduseer. Dus gaan die diffraksie van X-strale op 'n kristalrooster gepaard met die besteding van 'n redelike groot hoeveelheid energie.
Op industriële skaal word hierdie bestraling soos volg verkry:
- Die katode gee 'n hoë-energie-elektron uit.
- Elektron bots met die materiaal van die anode.
- Die elektron vertraag skerp (terwyl dit X-strale uitstraal).
- In 'n ander geval slaan die vertraagde deeltjie 'n elektron uit die atoom se lae wentelbaan uit die anodemateriaal, wat ook X-strale genereer.
Dit is ook nodig om te verstaan dat, soos enige ander elektromagnetiese straling, X-strale hul eie spektrum het. Hierdie bestraling self word redelik wyd gebruik. Almal weet dat daar met behulp van x-strale na 'n gebreekte been of 'n massa in die longe gesoek word.
Struktuur van 'n kristallyne stof
Nou kom ons naby aan wat die X-straaldiffraksiemetode is. Om dit te doen, is dit nodig om te verduidelik hoe 'n soliede liggaam gerangskik is. In die wetenskap word 'n vaste liggaam enige stof in 'n kristallyne toestand genoem. Hout, klei of glas is solied, maar hulle kort die belangrikste ding: 'n periodieke struktuur. Maar kristalle het hierdie wonderlike eienskap. Die naam van hierdie verskynsel bevat die wese daarvan. Eerstens moet jy verstaan dat die atome in die kristal styf vasgemaak is. Die bindings tussen hulle het 'n mate van elastisiteit, maar hulle is te sterk vir atome om binne rond te beweeg.roosters. Sulke episodes is moontlik, maar met 'n baie sterk eksterne invloed. Byvoorbeeld, as 'n metaalkristal gebuig word, word puntdefekte van verskillende tipes daarin gevorm: op sommige plekke verlaat die atoom sy plek, vorm 'n vakature, in ander beweeg dit na die verkeerde posisies, wat 'n interstisiële defek vorm. Op die plek van die buiging verloor die kristal sy skraal kristallyne struktuur, raak baie gebrekkig, los. Daarom is dit beter om nie 'n skuifspeld te gebruik wat een keer ongebuig was nie, aangesien die metaal sy eienskappe verloor het.
As die atome styf vasgemaak is, kan hulle nie meer ewekansig relatief tot mekaar gerangskik word nie, soos in vloeistowwe. Hulle moet hulself so organiseer dat die energie van hul interaksie tot die minimum beperk word. Die atome is dus in 'n rooster in lyn. In elke rooster is daar 'n minimum stel atome wat op 'n spesiale manier in die ruimte gerangskik is - dit is die elementêre sel van die kristal. As ons dit heeltemal uitsaai, dit wil sê, die rande met mekaar kombineer en in enige rigting skuif, sal ons die hele kristal kry. Dit is egter die moeite werd om te onthou dat dit 'n model is. Enige werklike kristal het defekte, en dit is byna onmoontlik om 'n absoluut akkurate vertaling te verkry. Moderne silikongeheue-selle is naby ideale kristalle. Die verkryging daarvan verg egter ongelooflike hoeveelhede energie en ander hulpbronne. In die laboratorium kry wetenskaplikes perfekte strukture van verskillende soorte, maar as 'n reël is die koste van die skepping daarvan te hoog. Maar ons sal aanvaar dat alle kristalle ideaal is: in enigerigting sal dieselfde atome op dieselfde afstande van mekaar geleë wees. Hierdie struktuur word 'n kristalrooster genoem.
Bestudering van kristalstruktuur
Dit is as gevolg van hierdie feit dat X-straaldiffraksie op kristalle moontlik is. Die periodieke struktuur van kristalle skep sekere vlakke daarin, waarin daar meer atome is as in ander rigtings. Soms word hierdie vlakke gestel deur die simmetrie van die kristalrooster, soms deur die onderlinge rangskikking van atome. Elke vliegtuig kry sy eie benaming. Die afstande tussen die vliegtuie is baie klein: in die orde van verskeie Angstrom (onthou, 'n Angstrom is 10-10 meter of 0.1 nanometer).
Daar is egter baie vlakke van dieselfde rigting in enige regte kristal, selfs 'n baie klein een. X-straaldiffraksie as 'n metode ontgin hierdie feit: alle golwe wat van rigting verander het op vlakke van dieselfde rigting word opgesom, wat 'n redelik duidelike sein by die uitset gee. Wetenskaplikes kan dus verstaan in watter rigtings hierdie vlakke binne die kristal geleë is, en die interne struktuur van die kristalstruktuur beoordeel. Hierdie data alleen is egter nie genoeg nie. Benewens die hellingshoek, moet jy ook die afstand tussen die vlakke ken. Daarsonder kan jy duisende verskillende modelle van die struktuur kry, maar weet nie die presiese antwoord nie. Hoe wetenskaplikes leer oor die afstand tussen die vliegtuie, sal hieronder bespreek word.
Diffraksie-verskynsel
Ons het reeds 'n fisiese regverdiging gegee van wat X-straaldiffraksie op die ruimtelike rooster van kristalle is. Ons het egter nog nie die essensie verduidelik niediffraksie verskynsels. Dus, diffraksie is die afronding van hindernisse deur golwe (insluitend elektromagnetiese). Hierdie verskynsel blyk 'n oortreding van die wet van lineêre optika te wees, maar dit is nie. Dit is nou verwant aan die interferensie en golf eienskappe van byvoorbeeld fotone. As daar 'n hindernis in die pad van lig is, kan fotone as gevolg van diffraksie om die draai "kyk". Hoe ver die rigting van lig van 'n reguit lyn af beweeg, hang af van die grootte van die hindernis. Hoe kleiner die hindernis, hoe korter moet die elektromagnetiese golflengte wees. Dit is hoekom X-straaldiffraksie op enkelkristalle uitgevoer word deur sulke kort golwe te gebruik: die afstand tussen die vlakke is baie klein, optiese fotone sal eenvoudig nie tussen hulle “kruip” nie, maar sal slegs vanaf die oppervlak gereflekteer word.
So 'n konsep is waar, maar in moderne wetenskap word dit as te eng beskou. Om die definisie daarvan uit te brei, sowel as vir algemene erudisie, bied ons metodes aan vir die manifestasie van golfdiffraksie.
- Verandering van die ruimtelike struktuur van golwe. Byvoorbeeld, die uitbreiding van die voortplantingshoek van 'n golfbundel, die afbuiging van 'n golf of 'n reeks golwe in een of ander voorkeurrigting. Dit is aan hierdie klas verskynsels wat golf wat om hindernisse buig, behoort.
- Ontbinding van golwe in 'n spektrum.
- Verandering in golfpolarisasie.
- Transformasie van die fasestruktuur van golwe.
Die verskynsel van diffraksie, tesame met interferensie, is daarvoor verantwoordelik dat wanneer 'n ligstraal na 'n smal spleet daaragter gerig word, ons nie een sien nie, maar verskeielig maksimum. Hoe verder die maksimum van die middel van die gleuf is, hoe hoër is die volgorde. Daarbenewens, met die korrekte instelling van die eksperiment, word die skaduwee van 'n gewone naaldwerk (natuurlik dun) in verskeie strepe verdeel, en die ligte maksimum word presies agter die naald waargeneem, en nie die minimum nie.
Wulf-Bragg-formule
Ons het reeds hierbo gesê dat die finale sein die som is van alle X-straalfotone wat weerkaats word vanaf vlakke met dieselfde helling binne die kristal. Maar een belangrike verband laat jou toe om die struktuur akkuraat te bereken. Daarsonder sou X-straaldiffraksie nutteloos wees. Die Wulf-Bragg-formule lyk soos volg: 2dsinƟ=nλ. Hier is d die afstand tussen vlakke met dieselfde inklinasiehoek, θ is die kykhoek (Bragg-hoek), of die invalshoek op die vlak, n is die orde van die diffraksiemaksimum, λ is die golflengte. Aangesien dit vooraf bekend is watter X-straalspektrum gebruik word om data te verkry en teen watter hoek hierdie straling val, stel hierdie formule ons in staat om die waarde van d te bereken. Ons het al 'n bietjie hoër gesê dat dit sonder hierdie inligting onmoontlik is om die struktuur van 'n stof akkuraat te verkry.
Moderne toepassing van X-straaldiffraksie
Die vraag ontstaan: in watter gevalle is hierdie ontleding nodig, het wetenskaplikes nie reeds alles in die wêreld van struktuur verken nie, en neem mense nie, wanneer hulle fundamenteel nuwe stowwe verkry, aan watter soort resultaat op hulle wag nie ? Daar is vier antwoorde.
- Ja, ons het ons planeet redelik goed leer ken. Maar elke jaar word nuwe minerale gevind. Soms is hul struktuur eweraai sonder x-strale sal nie werk nie.
- Baie wetenskaplikes probeer die eienskappe van reeds bestaande materiale verbeter. Hierdie stowwe word aan verskeie tipes verwerking onderwerp (druk, temperatuur, lasers, ens.). Soms word elemente by hul struktuur gevoeg of daarvan verwyder. X-straaldiffraksie op kristalle sal help om te verstaan watter interne herrangskikkings in hierdie geval plaasgevind het.
- Vir sommige toepassings (bv. aktiewe media, lasers, geheuekaarte, optiese elemente van toesigstelsels), moet kristalle baie presies ooreenstem. Daarom word hul struktuur met hierdie metode nagegaan.
- X-straaldiffraksie is die enigste manier om uit te vind hoeveel en watter fases tydens sintese in multikomponentstelsels verkry is. Keramiekelemente van moderne tegnologie kan as 'n voorbeeld van sulke stelsels dien. Die teenwoordigheid van ongewenste fases kan tot ernstige gevolge lei.
Ruimteverkenning
Baie mense vra: "Hoekom het ons groot sterrewagte in die Aarde se wentelbaan nodig, hoekom het ons 'n rover nodig as die mensdom nog nie die probleme van armoede en oorlog opgelos het nie?"
Elkeen het sy eie redes vir en teen, maar dit is duidelik dat die mensdom 'n droom moet hê.
Daarom, as ons na die sterre kyk, kan ons vandag met vertroue sê: ons weet elke dag meer en meer van hulle.
X-strale van prosesse wat in die ruimte plaasvind, bereik nie die oppervlak van ons planeet nie, dit word deur die atmosfeer geabsorbeer. Maar hierdie deelDie elektromagnetiese spektrum dra baie data oor hoë-energie-verskynsels. Daarom moet instrumente wat X-strale bestudeer uit die Aarde, in 'n wentelbaan geneem word. Bestaande stasies bestudeer tans die volgende voorwerpe:
- oorblyfsels van supernova-ontploffings;
- sentrums van sterrestelsels;
- neutronsterre;
- swart gate;
- botsings van massiewe voorwerpe (sterrestelsels, groepe sterrestelsels).
Verbasend genoeg, volgens verskeie projekte, word toegang tot hierdie stasies aan studente en selfs skoolkinders verskaf. Hulle bestudeer X-strale wat uit die diep ruimte kom: diffraksie, interferensie, spektrum word die onderwerp van hul belangstelling. En sommige baie jong gebruikers van hierdie ruimtesterrewagte maak ontdekkings.’n Noukeurige leser kan natuurlik beswaar maak dat hulle net tyd het om na hoë-resolusie-prente te kyk en subtiele besonderhede raak te sien. En natuurlik word die belangrikheid van ontdekkings as 'n reël slegs deur ernstige sterrekundiges verstaan. Maar sulke gevalle inspireer jong mense om hul lewens aan ruimteverkenning toe te wy. En hierdie doelwit is die moeite werd om na te streef.
Dus het die prestasies van Wilhelm Conrad Roentgen toegang tot sterrekennis en die vermoë om ander planete te verower geopen.
