Ushbu maqolada rentgen nurlari difraksiyasi kabi narsaning tavsifi mavjud. Bu hodisaning jismoniy asoslari va uning qoʻllanilishi shu yerda tushuntirilgan.
Yangi materiallar yaratish texnologiyalari
Innovatsiyalar, nanotexnologiyalar zamonaviy dunyo tendentsiyasidir. Yangiliklar yangi inqilobiy materiallar haqidagi xabarlarga to'la. Ammo mavjud texnologiyalarda hech bo'lmaganda ozgina yaxshilanishni yaratish uchun olimlarning ulkan tadqiqot apparati nimaga muhtojligi haqida kam odam o'ylaydi. Odamlarga buni amalga oshirishga yordam beradigan asosiy hodisalardan biri bu rentgen nurlarining diffraksiyasidir.
Elektromagnit nurlanish
Avval siz elektromagnit nurlanish nima ekanligini tushuntirishingiz kerak. Har qanday harakatlanuvchi zaryadlangan jism o'z atrofida elektromagnit maydon hosil qiladi. Bu maydonlar atrofdagi hamma narsani qamrab oladi, hatto chuqur fazodagi vakuum ham ulardan xoli emas. Agar shunday maydonda fazoda tarqaladigan davriy buzilishlar bo'lsa, ular elektromagnit nurlanish deb ataladi. Uni tavsiflash uchun to'lqin uzunligi, chastota va uning energiyasi kabi tushunchalar qo'llaniladi. Energiya nima intuitiv va to'lqin uzunligi orasidagi masofabir xil fazalar (masalan, ikkita qo'shni maksimal o'rtasida). To'lqin uzunligi (va shunga mos ravishda chastotasi) qanchalik baland bo'lsa, uning energiyasi shunchalik past bo'ladi. Eslatib o'tamiz, bu tushunchalar rentgen nurlari difraksiyasi nima ekanligini qisqa va lo'nda tasvirlash uchun zarurdir.
Elektromagnit spektr
Har xil elektromagnit nurlar maxsus shkalaga mos keladi. To'lqin uzunligiga qarab, ular (eng uzunidan eng qisqasiga) ajratadilar:
- radio toʻlqinlari;
- terahertz toʻlqinlari;
- infraqizil toʻlqinlar;
- koʻrinadigan toʻlqinlar;
- ultrabinafsha toʻlqinlar;
- Rentgen toʻlqinlari;
- gamma-nurlanish.
Shunday qilib, bizni qiziqtirayotgan nurlanish juda qisqa toʻlqin uzunligi va eng yuqori energiyaga ega (shuning uchun uni baʼzan qattiq deb ham atashadi). Shunday qilib, biz rentgen nurlari difraksiyasi nima ekanligini tasvirlashga yaqinlashmoqdamiz.
Rentgen nurlarining kelib chiqishi
Radiatsiya energiyasi qanchalik yuqori bo'lsa, uni sun'iy yo'l bilan olish shunchalik qiyin bo'ladi. Olovni yoqqan odam juda ko'p infraqizil nurlanishni oladi, chunki u issiqlikni uzatadi. Ammo rentgen nurlarining fazoviy tuzilmalar tomonidan diffraksiyasi sodir bo'lishi uchun juda ko'p harakat qilish kerak. Shunday qilib, elektron yadroga yaqin joylashgan atom qobig'idan urilganda bunday elektromagnit nurlanish chiqariladi. Yuqorida joylashgan elektronlar hosil bo'lgan teshikni, ularning o'tishlarini to'ldirishga va rentgen fotonlarini berishga moyildir. Shuningdek, massali zaryadlangan zarralarning keskin sekinlashishi paytida (masalan,elektronlar), bu yuqori energiyali nurlar ishlab chiqariladi. Shunday qilib, kristall panjarada rentgen nurlarining diffraksiyasi juda katta miqdordagi energiya sarflanishi bilan birga keladi.
Sanoat miqyosida bu nurlanish quyidagicha olinadi:
- Katod yuqori energiyali elektron chiqaradi.
- Elektron anod materiali bilan to'qnashadi.
- Elektron keskin sekinlashadi (rentgen nurlarini chiqarishda).
- Boshqa holatda, sekinlashuvchi zarracha elektronni atomning past orbitasidan anod moddasidan chiqarib yuboradi, bu esa rentgen nurlarini ham hosil qiladi.
Har qanday elektromagnit nurlanish kabi rentgen nurlari ham o'z spektriga ega ekanligini tushunish kerak. Ushbu nurlanishning o'zi juda keng qo'llaniladi. Singan suyak yoki o'pkadagi massa rentgen nurlari yordamida izlanishini hamma biladi.
Kristal moddaning tuzilishi
Endi biz rentgen nurlari diffraktsiya usuli nima ekanligiga yaqinlashdik. Buning uchun qattiq jismning qanday joylashishini tushuntirish kerak. Fanda qattiq jism kristall holatdagi har qanday modda deyiladi. Yog'och, loy yoki shisha qattiq, lekin ularda asosiy narsa yo'q: davriy tuzilish. Ammo kristallar bu ajoyib xususiyatga ega. Ushbu hodisaning nomi uning mohiyatini o'z ichiga oladi. Avval siz kristalldagi atomlar qattiq mahkamlanganligini tushunishingiz kerak. Ularning orasidagi bog'lanishlar ma'lum darajada egiluvchanlikka ega, ammo ular atomlarning ichkarida harakatlanishi uchun juda kuchli.panjaralar. Bunday epizodlar mumkin, lekin juda kuchli tashqi ta'sir bilan. Masalan, metall kristall egilgan bo'lsa, unda har xil turdagi nuqta nuqsonlari hosil bo'ladi: ba'zi joylarda atom o'z o'rnini tashlab, bo'sh joy hosil qiladi, boshqa joylarda noto'g'ri pozitsiyalarga o'tadi, oraliq nuqson hosil qiladi. Burilish joyida kristall o'zining nozik kristalli tuzilishini yo'qotadi, juda nuqsonli, bo'shashadi. Shuning uchun, bir marta egilgan qog'oz qisqichni ishlatmaslik yaxshiroqdir, chunki metall o'z xususiyatlarini yo'qotgan.
Agar atomlar qattiq mahkamlangan boʻlsa, ularni suyuqliklardagi kabi bir-biriga nisbatan tasodifiy joylashtirib boʻlmaydi. Ular o'zlarini o'zaro ta'sir qilish energiyasini minimallashtiradigan tarzda tashkil qilishlari kerak. Shunday qilib, atomlar panjara ichida joylashgan. Har bir panjarada kosmosda maxsus tarzda joylashtirilgan atomlarning minimal to'plami mavjud - bu kristalning elementar xujayrasi. Agar biz uni butunlay efirga uzatsak, ya'ni qirralarni bir-biri bilan birlashtirib, istalgan yo'nalishda siljitsak, biz butun kristalni olamiz. Biroq, bu model ekanligini unutmaslik kerak. Har qanday haqiqiy kristalning kamchiliklari bor va mutlaqo aniq tarjimaga erishish deyarli mumkin emas. Zamonaviy silikon xotira hujayralari ideal kristallarga yaqin. Biroq, ularni olish aql bovar qilmaydigan miqdorda energiya va boshqa resurslarni talab qiladi. Laboratoriyada olimlar har xil turdagi mukammal tuzilmalarni olishadi, lekin, qoida tariqasida, ularni yaratish xarajatlari juda yuqori. Ammo biz barcha kristallar ideal deb hisoblaymiz: har qandayidayo'nalishi bo'lsa, bir xil atomlar bir-biridan bir xil masofada joylashgan bo'ladi. Bu struktura kristall panjara deb ataladi.
Kristal tuzilishini o'rganish
Kristallarda rentgen nurlarining difraksiyasi mumkinligi shu fakt tufaylidir. Kristallarning davriy tuzilishi ularda boshqa yo'nalishlarga qaraganda ko'proq atomlar mavjud bo'lgan ma'lum tekisliklarni hosil qiladi. Ba'zan bu tekisliklar kristall panjaraning simmetriyasi bilan, ba'zan esa atomlarning o'zaro joylashishi bilan o'rnatiladi. Har bir samolyot o'ziga xos belgiga ega. Samolyotlar orasidagi masofalar juda kichik: bir nechta angstromlar tartibida (esda tutingki, angstrom 10-10 metr yoki 0,1 nanometr).
Ammo, har qanday haqiqiy kristallda bir xil yo'nalishdagi ko'plab tekisliklar mavjud, hatto juda kichik. Usul sifatida rentgen nurlari diffraktsiyasi bu haqiqatdan foydalanadi: bir xil yo'nalishdagi tekisliklarda yo'nalishini o'zgartirgan barcha to'lqinlar yig'ilib, chiqishda juda aniq signal beradi. Shunday qilib, olimlar bu tekisliklar kristall ichida qanday yo'nalishlarda joylashganligini tushunishlari va kristall strukturaning ichki tuzilishini hukm qilishlari mumkin. Biroq, bu ma'lumotlarning o'zi etarli emas. Nishab burchagidan tashqari, siz samolyotlar orasidagi masofani ham bilishingiz kerak. Busiz siz strukturaning minglab turli modellarini olishingiz mumkin, ammo aniq javobni bilmaysiz. Olimlar samolyotlar orasidagi masofani qanday bilib olishlari quyida muhokama qilinadi.
Difraksiya hodisasi
Kristallarning fazoviy panjarasidagi rentgen nurlari difraksiyasi nima ekanligini allaqachon jismoniy asoslab bergan edik. Biroq, biz hali mohiyatini tushuntirib bermadikdiffraktsiya hodisalari. Shunday qilib, diffraktsiya - bu to'siqlarni to'lqinlar (shu jumladan elektromagnit) bilan yaxlitlash. Bu hodisa chiziqli optika qonunining buzilishi kabi ko'rinadi, lekin unday emas. Bu, masalan, fotonlarning interferentsiyasi va to'lqin xususiyatlari bilan chambarchas bog'liq. Agar yorug'lik yo'lida to'siq bo'lsa, u holda diffraktsiya tufayli fotonlar burchakka "qarashi" mumkin. To'g'ri chiziqdan yorug'lik yo'nalishi qanchalik uzoqqa borishi to'siqning kattaligiga bog'liq. To'siq qanchalik kichik bo'lsa, elektromagnit to'lqin uzunligi shunchalik qisqa bo'lishi kerak. Shuning uchun monokristallardagi rentgen nurlarining diffraksiyasi shunday qisqa to'lqinlar yordamida amalga oshiriladi: tekisliklar orasidagi masofa juda kichik, optik fotonlar ular orasida shunchaki "emaklashmaydi", balki faqat sirtdan aks etadi.
Bunday tushuncha haqiqat, ammo zamonaviy fanda u juda tor deb hisoblanadi. Uning ta'rifini kengaytirish, shuningdek, umumiy bilim uchun biz to'lqin diffraktsiyasining namoyon bo'lish usullarini taqdim etamiz.
- Toʻlqinlarning fazoviy tuzilishini oʻzgartirish. Masalan, to'lqin nurining tarqalish burchagining kengayishi, to'lqinning yoki bir qator to'lqinlarning qaysidir afzal yo'nalishda egilishi. To'siqlar atrofida to'lqinlarning egilishi ana shu hodisalar sinfiga tegishli.
- Toʻlqinlarning spektrga parchalanishi.
- Toʻlqin polarizatsiyasi oʻzgarishi.
- Toʻlqinlarning fazaviy tuzilishini oʻzgartirish.
Difraktsiya hodisasi interferensiya bilan birga yorug’lik dastasi uning orqasidagi tor tirqishga yo’n altirilganda biz bir emas, bir nechtasini ko’rishimiz uchun javobgardir.yorug'lik maksimal. Maksimal yivning o'rtasidan qanchalik uzoq bo'lsa, uning tartibi shunchalik yuqori bo'ladi. Bundan tashqari, tajriba to'g'ri o'rnatilganda, oddiy tikuv ignasi soyasi (albatta, ingichka) bir nechta chiziqlarga bo'linadi va yorug'lik maksimali minimal emas, balki aynan igna orqasida kuzatiladi.
Vulf-Bragg formulasi
Yuqorida biz oxirgi signal kristalning ichida bir xil moyillikka ega boʻlgan tekisliklardan aks ettirilgan barcha rentgen fotonlarining yigʻindisi ekanligini aytdik. Ammo bitta muhim munosabat sizga strukturani to'g'ri hisoblash imkonini beradi. Busiz rentgen nurlarining diffraktsiyasi foydasiz bo'lar edi. Wulf-Bragg formulasi quyidagicha ko'rinadi: 2dsinƟ=n. Bu yerda d - qiyalik burchagi bir xil bo'lgan tekisliklar orasidagi masofa, th - ko'zdan kechirish burchagi (Bragg burchagi) yoki tekislikka tushish burchagi, n - diffraktsiya maksimalining tartibi, l - to'lqin uzunligi. Ma'lumotlarni olish uchun qaysi rentgen spektri qo'llanilishi va bu nurlanish qaysi burchakka tushishi oldindan ma'lum bo'lganligi sababli, bu formula d ning qiymatini hisoblash imkonini beradi. Bu ma'lumotsiz moddaning tuzilishini aniq olish mumkin emasligini biroz yuqoriroq aytdik.
X-nurlari diffraktsiyasining zamonaviy qoʻllanilishi
Savol tug'iladi: bu tahlil qanday hollarda kerak, olimlar tuzilish olamidagi hamma narsani allaqachon o'rganib chiqishmaganmi va odamlar tubdan yangi moddalarni olishda ularni qanday natija kutayotganini o'ylamaydilarmi? ? To‘rtta javob bor.
- Ha, biz sayyoramizni juda yaxshi bilib oldik. Ammo har yili yangi minerallar topiladi. Ba'zan ularning tuzilishi bir tekis bo'ladirentgen nurlarisiz ishlamaydi.
- Ko'pgina olimlar allaqachon mavjud materiallarning xususiyatlarini yaxshilashga harakat qilmoqdalar. Ushbu moddalar turli xil qayta ishlashga (bosim, harorat, lazer va boshqalar) duchor bo'ladi. Ba'zan elementlar tuzilishiga qo'shiladi yoki undan chiqariladi. Kristallardagi rentgen nurlari diffraktsiyasi bu holatda qanday ichki o'zgarishlar sodir bo'lganligini tushunishga yordam beradi.
- Ba'zi ilovalar uchun (masalan, faol media, lazerlar, xotira kartalari, kuzatuv tizimlarining optik elementlari) kristallar juda aniq mos kelishi kerak. Shuning uchun ularning tuzilishi ushbu usul yordamida tekshiriladi.
- Rentgen nurlari diffraktsiyasi ko'p komponentli tizimlarda sintez jarayonida qancha va qaysi fazalar olinganligini aniqlashning yagona usuli hisoblanadi. Zamonaviy texnologiyaning keramik elementlari bunday tizimlarga misol bo'la oladi. Keraksiz bosqichlarning mavjudligi jiddiy oqibatlarga olib kelishi mumkin.
Kosmik tadqiqotlar
Ko'pchilik shunday deb so'raydi: "Nega bizga Yer orbitasida ulkan rasadxonalar kerak, agar insoniyat hali qashshoqlik va urush muammolarini hal qilmagan bo'lsa, bizga rover nima uchun kerak?"
Har kimning oʻziga yarasha sabablari bor, lekin insoniyatning orzusi boʻlishi aniq.
Shuning uchun, yulduzlarga qarab, bugun biz ishonch bilan aytishimiz mumkin: biz ular haqida har kuni ko'proq va ko'proq bilamiz.
Kosmosda sodir boʻlayotgan jarayonlarning rentgen nurlari sayyoramiz yuzasiga etib bormaydi, ular atmosfera tomonidan soʻriladi. Ammo bu qismElektromagnit spektr yuqori energiyali hodisalar haqida juda ko'p ma'lumotlarni o'z ichiga oladi. Shuning uchun rentgen nurlarini o'rganadigan asboblarni Yerdan tashqariga, orbitaga olib chiqish kerak. Hozirda mavjud stantsiyalar quyidagi ob'ektlarni o'rganmoqda:
- oʻta yangi yulduz portlashlarining qoldiqlari;
- galaktikalar markazlari;
- neytron yulduzlari;
- qora tuynuklar;
- massiv jismlarning toʻqnashuvi (galaktikalar, galaktikalar guruhlari).
Ajablanarlisi shundaki, turli loyihalarga ko'ra, bu stantsiyalarga kirish talabalar va hatto maktab o'quvchilari uchun ham taqdim etiladi. Ular chuqur kosmosdan keladigan rentgen nurlarini o'rganadilar: diffraktsiya, interferensiya, spektr ularni qiziqtiradigan mavzuga aylanadi. Va bu kosmik observatoriyalarning ba'zi juda yosh foydalanuvchilari kashfiyotlar qilishmoqda. Puxta o'quvchi, albatta, yuqori aniqlikdagi rasmlarni ko'rish va nozik tafsilotlarni ko'rish uchun vaqtlari borligiga e'tiroz bildirishi mumkin. Va, albatta, kashfiyotlarning ahamiyati, qoida tariqasida, faqat jiddiy astronomlar tomonidan tushuniladi. Ammo bunday holatlar yoshlarni o‘z hayotini koinotni o‘rganishga bag‘ishlashga undaydi. Va bu maqsadga erishishga arziydi.
Shunday qilib, Vilgelm Konrad Rentgenning yutuqlari yulduzlar bilimiga kirish va boshqa sayyoralarni zabt etish qobiliyatini ochib berdi.
