Dit artikel bevat een beschrijving van zoiets als röntgendiffractie. De fysieke basis van dit fenomeen en zijn toepassingen worden hier uitgelegd.
Technologieën voor het maken van nieuwe materialen
Innovatie, nanotechnologie is de trend van de moderne wereld. Het nieuws staat vol met berichten over nieuwe revolutionaire materialen. Maar weinig mensen denken na over wat een enorm onderzoeksapparaat wetenschappers nodig hebben om op zijn minst een kleine verbetering in bestaande technologieën te creëren. Een van de fundamentele fenomenen die mensen hierbij helpen, is röntgendiffractie.
Elektromagnetische straling
Eerst moet je uitleggen wat elektromagnetische straling is. Elk bewegend geladen lichaam genereert een elektromagnetisch veld om zich heen. Deze velden doordringen alles om ons heen, zelfs het vacuüm van de diepe ruimte is er niet vrij van. Als er in zo'n veld periodieke verstoringen zijn die zich in de ruimte kunnen voortplanten, worden ze elektromagnetische straling genoemd. Om het te beschrijven, worden begrippen als golflengte, frequentie en de energie ervan gebruikt. Wat energie is, is intuïtief en de golflengte is de afstand tussenidentieke fasen (bijvoorbeeld tussen twee aangrenzende maxima). Hoe hoger de golflengte (en dus de frequentie), hoe lager de energie. Bedenk dat deze concepten nodig zijn om kort en bondig te beschrijven wat röntgendiffractie is.
Elektromagnetisch spectrum
Alle soorten elektromagnetische stralen passen op een speciale schaal. Afhankelijk van de golflengte onderscheiden ze (van de langste naar de kortste):
- radiogolven;
- terahertz golven;
- infraroodgolven;
- zichtbare golven;
- ultraviolette golven;
- Röntgengolven;
- gammastraling.
De straling waarin we geïnteresseerd zijn, heeft dus een zeer korte golflengte en de hoogste energieën (daarom wordt het soms hard genoemd). Daarom komen we steeds dichter bij het beschrijven van wat röntgendiffractie is.
De oorsprong van röntgenstralen
Hoe hoger de stralingsenergie, hoe moeilijker het is om deze kunstmatig te verkrijgen. Nadat een persoon een vuur heeft gemaakt, ontvangt hij veel infraroodstraling, omdat deze warmte overdraagt. Maar om de diffractie van röntgenstralen door ruimtelijke structuren te laten plaatsvinden, moet er veel moeite worden gedaan. Dit soort elektromagnetische straling komt vrij wanneer een elektron uit de schil van een atoom wordt geslagen, dat zich dicht bij de kern bevindt. De elektronen die zich erboven bevinden, hebben de neiging om het resulterende gat en hun overgangen te vullen en röntgenfotonen te geven. Ook tijdens scherpe vertraging van geladen deeltjes met massa (bijvoorbeeldelektronen), worden deze hoogenergetische bundels geproduceerd. De diffractie van röntgenstralen op een kristalrooster gaat dus gepaard met het verbruik van een vrij grote hoeveelheid energie.
Op industriële schaal wordt deze straling als volgt verkregen:
- De kathode zendt een hoogenergetisch elektron uit.
- Elektron botst met het materiaal van de anode.
- Het elektron vertraagt sterk (terwijl het röntgenstralen uitzendt).
- In een ander geval slaat het vertragende deeltje een elektron uit de lage baan van het atoom uit het anodemateriaal, dat ook röntgenstralen genereert.
Het is ook noodzakelijk om te begrijpen dat röntgenstralen, net als elke andere elektromagnetische straling, hun eigen spectrum hebben. Deze straling zelf wordt vrij veel gebruikt. Iedereen weet dat een gebroken bot of een massa in de longen met behulp van röntgenfoto's wordt gezocht.
Structuur van een kristallijne stof
Nu komen we in de buurt van wat de röntgendiffractiemethode is. Om dit te doen, is het noodzakelijk om uit te leggen hoe een vast lichaam is gerangschikt. In de wetenschap wordt een vast lichaam elke substantie in een kristallijne toestand genoemd. Hout, klei of glas zijn massief, maar ze missen het belangrijkste: een periodieke structuur. Maar kristallen hebben deze geweldige eigenschap. De naam van dit fenomeen bevat zijn essentie. Eerst moet je begrijpen dat de atomen in het kristal star gefixeerd zijn. De bindingen ertussen hebben een zekere mate van elasticiteit, maar ze zijn te sterk voor atomen om erin te bewegen.roosters. Dergelijke afleveringen zijn mogelijk, maar met een zeer sterke externe invloed. Als een metaalkristal bijvoorbeeld wordt gebogen, worden er puntdefecten van verschillende typen gevormd: op sommige plaatsen verlaat het atoom zijn plaats en vormt een leegte, op andere plaatsen beweegt het naar de verkeerde posities en vormt het een interstitieel defect. Op de plaats van de bocht verliest het kristal zijn slanke kristallijne structuur, wordt erg defect, los. Daarom is het beter om geen paperclip te gebruiken die een keer is losgebogen, omdat het metaal zijn eigenschappen heeft verloren.
Als de atomen star gefixeerd zijn, kunnen ze niet langer willekeurig ten opzichte van elkaar worden gerangschikt, zoals in vloeistoffen. Ze moeten zichzelf zo organiseren dat de energie van hun interactie tot een minimum wordt beperkt. De atomen staan dus op een rij in een rooster. In elk rooster bevindt zich een minimum aantal atomen dat op een speciale manier in de ruimte is gerangschikt - dit is de elementaire cel van het kristal. Als we het volledig uitzenden, dat wil zeggen, de randen met elkaar combineren, in elke richting verschuivend, krijgen we het hele kristal. Het is echter de moeite waard eraan te denken dat dit een model is. Elk echt kristal heeft gebreken en het is bijna onmogelijk om een absoluut nauwkeurige vertaling te krijgen. Moderne siliciumgeheugencellen komen dicht bij ideale kristallen. Het verkrijgen ervan vereist echter ongelooflijke hoeveelheden energie en andere hulpbronnen. In het laboratorium verkrijgen wetenschappers verschillende soorten perfecte structuren, maar in de regel zijn de kosten van hun creatie te hoog. Maar we gaan ervan uit dat alle kristallen ideaal zijn: in elkerichting, zullen dezelfde atomen zich op dezelfde afstand van elkaar bevinden. Deze structuur wordt een kristalrooster genoemd.
Studie van kristalstructuur
Het is vanwege dit feit dat röntgendiffractie op kristallen mogelijk is. De periodieke structuur van kristallen creëert bepaalde vlakken erin, waarin meer atomen zijn dan in andere richtingen. Soms worden deze vlakken bepaald door de symmetrie van het kristalrooster, soms door de onderlinge rangschikking van atomen. Elk vliegtuig krijgt zijn eigen aanduiding. De afstanden tussen de vlakken zijn erg klein: in de orde van enkele angström (herinner je, een angstrom is 10-10 meter of 0,1 nanometer).
Er zijn echter veel vlakken van dezelfde richting in een echt kristal, zelfs een heel klein. Röntgendiffractie als methode maakt gebruik van dit feit: alle golven die van richting zijn veranderd op vlakken van dezelfde richting worden bij elkaar opgeteld, wat een vrij duidelijk signaal geeft aan de uitgang. Dus wetenschappers kunnen begrijpen in welke richtingen deze vlakken zich in het kristal bevinden, en de interne structuur van de kristalstructuur beoordelen. Deze gegevens alleen zijn echter niet voldoende. Naast de hellingshoek moet je ook de afstand tussen de vlakken weten. Zonder dit kun je duizenden verschillende modellen van de structuur krijgen, maar weet je het exacte antwoord niet. Hieronder wordt besproken hoe wetenschappers leren over de afstand tussen de vliegtuigen.
diffractiefenomeen
We hebben al een fysieke rechtvaardiging gegeven van wat röntgendiffractie op het ruimtelijke rooster van kristallen is. De essentie hebben we echter nog niet uitgelegddiffractie verschijnselen. Diffractie is dus het afronden van obstakels door golven (inclusief elektromagnetische). Dit fenomeen lijkt een schending van de wet van de lineaire optica te zijn, maar dat is het niet. Het hangt nauw samen met de interferentie- en golfeigenschappen van bijvoorbeeld fotonen. Staat er een obstakel in de weg van het licht, dan kunnen fotonen door diffractie om de hoek ‘kijken’. Hoe ver de richting van het licht vanaf een rechte lijn reist, hangt af van de grootte van het obstakel. Hoe kleiner het obstakel, hoe korter de elektromagnetische golflengte moet zijn. Dat is de reden waarom röntgendiffractie op eenkristallen wordt uitgevoerd met zulke korte golven: de afstand tussen de vlakken is erg klein, optische fotonen zullen eenvoudigweg niet ertussen "kruipen", maar worden alleen gereflecteerd vanaf het oppervlak.
Een dergelijk concept is waar, maar in de moderne wetenschap wordt het als te beperkt beschouwd. Om de definitie ervan uit te breiden, evenals voor algemene eruditie, presenteren we methoden voor de manifestatie van golfdiffractie.
- De ruimtelijke structuur van golven veranderen. Bijvoorbeeld de uitbreiding van de voortplantingshoek van een golfbundel, de afbuiging van een golf of een reeks golven in een voorkeursrichting. Het is tot deze klasse van verschijnselen dat golven die om obstakels heen buigen, behoren.
- Ontbinding van golven in een spectrum.
- Verandering in golfpolarisatie.
- Transformatie van de fasestructuur van golven.
Het fenomeen van diffractie, samen met interferentie, is verantwoordelijk voor het feit dat wanneer een lichtstraal wordt gericht op een smalle spleet erachter, we niet één, maar meerdere zienlichte maxima. Hoe verder het maximum van het midden van de sleuf is, hoe hoger de volgorde. Bovendien, met de juiste instelling van het experiment, wordt de schaduw van een gewone naainaald (natuurlijk dun) verdeeld in verschillende strepen en wordt het lichtmaximum precies achter de naald waargenomen, en niet het minimum.
Wulf-Bragg-formule
We hebben hierboven al gezegd dat het uiteindelijke signaal de som is van alle röntgenfotonen die worden gereflecteerd door vlakken met dezelfde helling in het kristal. Maar één belangrijke relatie stelt u in staat om de structuur nauwkeurig te berekenen. Zonder dat zou röntgendiffractie nutteloos zijn. De formule van Wulf-Bragg ziet er als volgt uit: 2dsinƟ=nλ. Hierin is d de afstand tussen vlakken met dezelfde hellingshoek, θ is de kijkhoek (Bragg-hoek), of de invalshoek op het vlak, n is de orde van het diffractiemaximum, λ is de golflengte. Omdat van tevoren bekend is met welk röntgenspectrum gegevens worden verkregen en onder welke hoek deze straling v alt, kunnen we met deze formule de waarde van d berekenen. We hebben al iets hoger gezegd dat het zonder deze informatie onmogelijk is om de structuur van een stof nauwkeurig te verkrijgen.
Moderne toepassing van röntgendiffractie
De vraag rijst: in welke gevallen is deze analyse nodig, hebben wetenschappers niet alles in de wereld van structuur onderzocht en gaan mensen er bij het verkrijgen van fundamenteel nieuwe stoffen niet vanuit wat voor soort resultaat hen te wachten staat ? Er zijn vier antwoorden.
- Ja, we hebben onze planeet heel goed leren kennen. Maar elk jaar worden er nieuwe mineralen gevonden. Soms is hun structuur zelfsdenk dat zonder röntgenfoto's niet zal werken.
- Veel wetenschappers proberen de eigenschappen van reeds bestaande materialen te verbeteren. Deze stoffen ondergaan verschillende soorten bewerkingen (druk, temperatuur, lasers, enz.). Soms worden elementen toegevoegd aan of verwijderd uit hun structuur. Röntgendiffractie op kristallen zal helpen te begrijpen welke interne herschikkingen zich in dit geval hebben voorgedaan.
- Voor sommige toepassingen (bijv. actieve media, lasers, geheugenkaarten, optische elementen van bewakingssystemen) moeten kristallen zeer nauwkeurig op elkaar worden afgestemd. Daarom wordt hun structuur gecontroleerd met deze methode.
- Röntgendiffractie is de enige manier om erachter te komen hoeveel en welke fasen zijn verkregen tijdens de synthese in systemen met meerdere componenten. Keramische elementen van moderne technologie kunnen als voorbeeld van dergelijke systemen dienen. De aanwezigheid van ongewenste fasen kan tot ernstige gevolgen leiden.
Ruimteverkenning
Veel mensen vragen: "Waarom hebben we enorme observatoria nodig in de baan van de aarde, waarom hebben we een rover nodig als de mensheid de problemen van armoede en oorlog nog niet heeft opgelost?"
Iedereen heeft zijn eigen redenen voor en tegen, maar het is duidelijk dat de mensheid een droom moet hebben.
Als we naar de sterren kijken, kunnen we vandaag met vertrouwen zeggen: we weten er elke dag meer en meer over.
Röntgenstralen van processen die in de ruimte plaatsvinden, bereiken het oppervlak van onze planeet niet, ze worden geabsorbeerd door de atmosfeer. Maar dit deelHet elektromagnetische spectrum bevat veel gegevens over hoogenergetische verschijnselen. Daarom moeten instrumenten die röntgenstraling bestuderen, uit de aarde worden gehaald, in een baan om de aarde. Momenteel bestuderen bestaande stations de volgende objecten:
- restanten van supernova-explosies;
- centra van sterrenstelsels;
- neutronensterren;
- zwarte gaten;
- botsingen van massieve objecten (sterrenstelsels, groepen sterrenstelsels).
Verrassend genoeg wordt volgens verschillende projecten toegang tot deze stations verleend aan studenten en zelfs schoolkinderen. Ze bestuderen röntgenstralen die uit de verre ruimte komen: diffractie, interferentie en spectrum worden het onderwerp van hun interesse. En enkele zeer jonge gebruikers van deze ruimteobservatoria doen ontdekkingen. Een nauwgezette lezer kan natuurlijk tegenwerpen dat ze gewoon tijd hebben om naar afbeeldingen met een hoge resolutie te kijken en subtiele details op te merken. En natuurlijk wordt het belang van ontdekkingen in de regel alleen door serieuze astronomen begrepen. Maar zulke gevallen inspireren jonge mensen om hun leven te wijden aan verkenning van de ruimte. En dit doel is het nastreven waard.
Zo openden de prestaties van Wilhelm Conrad Roentgen de toegang tot sterrenkennis en het vermogen om andere planeten te veroveren.
