Այս հոդվածը պարունակում է այնպիսի բանի նկարագրություն, ինչպիսին է ռենտգենյան դիֆրակցիան: Այս երևույթի ֆիզիկական հիմքը և դրա կիրառությունները բացատրված են այստեղ:
Նոր նյութեր ստեղծելու տեխնոլոգիաներ
Նորարարությունը, նանոտեխնոլոգիան ժամանակակից աշխարհի միտումն է։ Լուրը լի է նոր հեղափոխական նյութերի հաղորդումներով։ Սակայն քչերն են մտածում այն մասին, թե ինչ հսկայական հետազոտական ապարատ է անհրաժեշտ գիտնականներին՝ գոյություն ունեցող տեխնոլոգիաների գոնե մի փոքր բարելավում ստեղծելու համար: Հիմնական երևույթներից մեկը, որն օգնում է մարդկանց դա անել, ռենտգենյան ճառագայթների դիֆրակցիան է։
Էլեկտրամագնիսական ճառագայթում
Նախ պետք է բացատրել, թե ինչ է էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը: Ցանկացած շարժվող լիցքավորված մարմին իր շուրջ առաջացնում է էլեկտրամագնիսական դաշտ: Այս դաշտերը թափանցում են շուրջբոլորը, նույնիսկ խորը տարածության վակուումը զերծ չէ դրանցից: Եթե նման դաշտում կան պարբերական շեղումներ, որոնք կարող են տարածվել տարածության մեջ, ապա դրանք կոչվում են էլեկտրամագնիսական ճառագայթում։ Այն նկարագրելու համար օգտագործվում են այնպիսի հասկացություններ, ինչպիսիք են ալիքի երկարությունը, հաճախականությունը և դրա էներգիան: Այն, ինչ էներգիա է, ինտուիտիվ է, իսկ ալիքի երկարությունը նրանց միջև եղած հեռավորությունն էնույնական փուլեր (օրինակ, երկու հարակից առավելագույնի միջև): Որքան մեծ է ալիքի երկարությունը (և, համապատասխանաբար, հաճախականությունը), այնքան ցածր է դրա էներգիան: Հիշեք, որ այս հասկացություններն անհրաժեշտ են հակիրճ և հակիրճ նկարագրելու համար, թե ինչ է ռենտգենյան դիֆրակցիան:
Էլեկտրամագնիսական սպեկտր
Էլեկտրամագնիսական ճառագայթների բոլոր տեսակները տեղավորվում են հատուկ սանդղակի վրա: Կախված ալիքի երկարությունից՝ նրանք տարբերում են (ամենաերկարից մինչև ամենակարճը)՝
- ռադիոալիքներ;
- տերահերց ալիքներ;
- ինֆրակարմիր ալիքներ;
- տեսանելի ալիքներ;
- ուլտրամանուշակագույն ալիքներ;
- ռենտգենյան ալիքներ;
- գամմա ճառագայթում.
Այսպիսով, մեզ հետաքրքրող ճառագայթումն ունի շատ կարճ ալիքի երկարություն և ամենաբարձր էներգիաները (այդ պատճառով էլ այն երբեմն կոչվում է կոշտ): Հետևաբար, մենք ավելի ենք մոտենում նկարագրելու, թե ինչ է ռենտգենյան դիֆրակցիան:
Ռենտգենյան ճառագայթների ծագումը
Որքան բարձր է ճառագայթման էներգիան, այնքան ավելի դժվար է այն արհեստականորեն ստանալը։ Հրդեհ վառելով՝ մարդը ստանում է մեծ քանակությամբ ինֆրակարմիր ճառագայթում, քանի որ այն ջերմություն է փոխանցում։ Բայց որպեսզի ռենտգենյան ճառագայթների դիֆրակցիան տեղի ունենա տարածական կառույցների կողմից, պետք է մեծ ջանքեր գործադրել: Այսպիսով, այս տեսակի էլեկտրամագնիսական ճառագայթումը արձակվում է, երբ էլեկտրոնը դուրս է մղվում միջուկին մոտ գտնվող ատոմի թաղանթից: Վերևում տեղակայված էլեկտրոնները հակված են լրացնել առաջացած անցքը, դրանց անցումները և տալ ռենտգենյան ֆոտոններ: Նաև զանգվածով լիցքավորված մասնիկների կտրուկ դանդաղեցման ժամանակ (օրինակ.էլեկտրոններ), արտադրվում են այս բարձր էներգիայի ճառագայթները: Այսպիսով, բյուրեղային ցանցի վրա ռենտգենյան ճառագայթների դիֆրակցիան ուղեկցվում է բավական մեծ քանակությամբ էներգիայի ծախսումով։
Արդյունաբերական մասշտաբով այս ճառագայթումը ստացվում է հետևյալ կերպ.
- Կաթոդն արձակում է բարձր էներգիայի էլեկտրոն։
- Էլեկտրոնը բախվում է անոդի նյութին։
- Էլեկտրոնը կտրուկ դանդաղում է (ռենտգենյան ճառագայթներ արձակելիս):
- Մեկ այլ դեպքում, դանդաղեցնող մասնիկը ատոմի ցածր ուղեծրից անոդ նյութից դուրս է հանում էլեկտրոնը, որը նույնպես առաջացնում է ռենտգենյան ճառագայթներ:
Անհրաժեշտ է նաև հասկանալ, որ ինչպես ցանկացած այլ էլեկտրամագնիսական ճառագայթում, ռենտգենյան ճառագայթներն ունեն իրենց սպեկտրը: Այս ճառագայթումն ինքնին բավականին լայնորեն օգտագործվում է։ Բոլորը գիտեն, որ թոքերի կոտրված ոսկորը կամ զանգվածը փնտրում են ռենտգենյան ճառագայթների օգնությամբ։
Բյուրեղային նյութի կառուցվածքը
Այժմ մենք մոտենում ենք նրան, թե ինչ է իրենից ներկայացնում ռենտգենյան դիֆրակցիոն մեթոդը: Դրա համար անհրաժեշտ է բացատրել, թե ինչպես է դասավորված պինդ մարմինը։ Գիտության մեջ պինդ մարմին կոչվում է բյուրեղային վիճակում գտնվող ցանկացած նյութ։ Փայտը, կավը կամ ապակին ամուր են, բայց նրանց պակասում է գլխավորը՝ պարբերական կառուցվածքը։ Բայց բյուրեղներն ունեն այս զարմանալի հատկությունը. Այս երեւույթի հենց անվանումն է պարունակում իր էությունը. Նախ պետք է հասկանալ, որ բյուրեղի ատոմները կոշտ են ամրացված: Նրանց միջև եղած կապերն ունեն որոշակի աստիճանի առաձգականություն, բայց դրանք չափազանց ամուր են, որպեսզի ատոմները ներսում շարժվեն:վանդակաճաղեր. Նման դրվագներ հնարավոր են, բայց շատ ուժեղ արտաքին ազդեցությամբ։ Օրինակ, եթե մետաղական բյուրեղը ծռվում է, նրա մեջ առաջանում են տարբեր տեսակի կետային թերություններ՝ տեղ-տեղ ատոմը թողնում է իր տեղը՝ առաջացնելով թափուր տեղ, որոշ տեղերում՝ շարժվում է սխալ դիրքեր՝ առաջացնելով միջքաղաքային արատ։ Կռվածքի տեղում բյուրեղը կորցնում է իր բարակ բյուրեղային կառուցվածքը, դառնում է շատ թերի, թուլանում։ Հետևաբար, ավելի լավ է չօգտագործել մեկ անգամ չծալված թղթի սեղմիչ, քանի որ մետաղը կորցրել է իր հատկությունները։
Եթե ատոմները կոշտ ամրագրված են, դրանք այլևս չեն կարող պատահականորեն դասավորվել միմյանց նկատմամբ, ինչպես հեղուկներում: Նրանք պետք է կազմակերպվեն այնպես, որ նվազագույնի հասցնեն իրենց փոխազդեցության էներգիան։ Այսպիսով, ատոմները շարվում են վանդակի մեջ: Յուրաքանչյուր վանդակում կա ատոմների նվազագույն շարք, որոնք դասավորված են տարածության մեջ հատուկ ձևով. սա բյուրեղի տարրական բջիջն է: Եթե այն ամբողջությամբ հեռարձակենք, այսինքն՝ եզրերը միացնենք միմյանց հետ՝ շարժվելով ցանկացած ուղղությամբ, կստանանք ամբողջ բյուրեղը։ Այնուամենայնիվ, հարկ է հիշել, որ սա մոդել է: Ցանկացած իրական բյուրեղ ունի թերություններ, և գրեթե անհնար է հասնել բացարձակ ճշգրիտ թարգմանության: Ժամանակակից սիլիկոնային հիշողության բջիջները մոտ են իդեալական բյուրեղներին: Այնուամենայնիվ, դրանք ձեռք բերելը պահանջում է անհավատալի քանակությամբ էներգիա և այլ ռեսուրսներ: Լաբորատորիայում գիտնականները ձեռք են բերում տարբեր տեսակի կատարյալ կառուցվածքներ, սակայն, որպես կանոն, դրանց ստեղծման ծախսերը չափազանց բարձր են։ Բայց մենք կենթադրենք, որ բոլոր բյուրեղները իդեալական են՝ ցանկացածումուղղությամբ, նույն ատոմները կգտնվեն միմյանցից նույն հեռավորությունների վրա: Այս կառուցվածքը կոչվում է բյուրեղյա վանդակ:
Բյուրեղների կառուցվածքի ուսումնասիրություն
Այս իրողությամբ է պայմանավորված, որ ռենտգենյան ճառագայթների դիֆրակցիան հնարավոր է բյուրեղների վրա։ Բյուրեղների պարբերական կառուցվածքը դրանցում ստեղծում է որոշակի հարթություններ, որոնցում ավելի շատ ատոմներ կան, քան այլ ուղղություններով։ Երբեմն այդ հարթությունները սահմանվում են բյուրեղային ցանցի համաչափությամբ, երբեմն՝ ատոմների փոխադարձ դասավորությամբ։ Յուրաքանչյուր ինքնաթիռ նշանակվում է իր սեփական նշանակումը: Ինքնաթիռների միջև հեռավորությունները շատ փոքր են՝ մի քանի անգստրոմների կարգով (հիշենք, անգստրոմը 10-10 մետր է կամ 0,1 նանոմետր):
Սակայն ցանկացած իրական բյուրեղում, նույնիսկ շատ փոքր, կան նույն ուղղության բազմաթիվ հարթություններ: Ռենտգենյան դիֆրակցիան որպես մեթոդ օգտագործում է այս փաստը. բոլոր ալիքները, որոնք փոխել են ուղղությունը նույն ուղղության հարթություններում, ամփոփվում են՝ ելքի վրա տալով բավականին հստակ ազդանշան: Այսպիսով, գիտնականները կարող են հասկանալ, թե այդ ինքնաթիռները ինչ ուղղություններով են գտնվում բյուրեղի ներսում և դատել բյուրեղային կառուցվածքի ներքին կառուցվածքի մասին: Սակայն միայն այս տվյալները բավարար չեն։ Բացի թեքության անկյունից, պետք է իմանալ նաև ինքնաթիռների միջև եղած հեռավորությունը։ Առանց դրա, դուք կարող եք ստանալ կառուցվածքի հազարավոր տարբեր մոդելներ, բայց չիմանալ ճշգրիտ պատասխանը: Թե ինչպես են գիտնականները իմանում ինքնաթիռների միջև հեռավորության մասին, կքննարկվի ստորև։
Դիֆրակցիայի երևույթ
Մենք արդեն տվել ենք ֆիզիկական հիմնավորում, թե ինչ է ռենտգենյան ճառագայթների դիֆրակցիան բյուրեղների տարածական ցանցի վրա: Սակայն մենք դեռ չենք բացատրել էությունըդիֆրակցիոն երեւույթներ. Այսպիսով, դիֆրակցիան խոչընդոտների կլորացումն է ալիքներով (ներառյալ էլեկտրամագնիսականները): Այս երեւույթը կարծես գծային օպտիկայի օրենքի խախտում է, բայց դա այդպես չէ։ Այն սերտորեն կապված է, օրինակ, ֆոտոնների միջամտությունների և ալիքային հատկությունների հետ։ Եթե լույսի ճանապարհին խոչընդոտ կա, ապա դիֆրակցիայի պատճառով ֆոտոնները կարող են «նայել» անկյունում։ Թե որքան հեռու է լույսի ուղղությունը անցնում ուղիղ գծից, կախված է խոչընդոտի չափից: Որքան փոքր է խոչընդոտը, այնքան ավելի կարճ պետք է լինի էլեկտրամագնիսական ալիքի երկարությունը: Այդ իսկ պատճառով ռենտգենյան ճառագայթների դիֆրակցիան միաբյուրեղների վրա իրականացվում է այնպիսի կարճ ալիքների միջոցով. ինքնաթիռների միջև հեռավորությունը շատ փոքր է, օպտիկական ֆոտոնները պարզապես չեն «սողալու» նրանց միջև, այլ կարտացոլվեն միայն մակերեսից։
Նման հայեցակարգը ճիշտ է, սակայն ժամանակակից գիտության մեջ այն չափազանց նեղ է համարվում։ Նրա սահմանումն ընդլայնելու, ինչպես նաև ընդհանուր էրուդիցիայի համար ներկայացնում ենք ալիքի դիֆրակցիայի դրսևորման մեթոդներ։
- Ալիքների տարածական կառուցվածքի փոփոխություն. Օրինակ՝ ալիքի փնջի տարածման անկյան ընդլայնումը, ալիքի կամ ալիքների շարքի շեղումը ինչ-որ նախընտրելի ուղղությամբ։ Երևույթների այս դասին է պատկանում խոչընդոտների շուրջ ալիքների թեքումը։
- Ալիքների տարրալուծում սպեկտրի մեջ։
- Ալիքի բևեռացման փոփոխություն։
- Ալիքների ֆազային կառուցվածքի փոխակերպում.
Դիֆրակցիայի երևույթը, միջամտության հետ միասին, պատասխանատու է այն բանի համար, որ երբ լույսի ճառագայթն ուղղվում է դեպի դրա հետևում գտնվող նեղ ճեղքը, մենք տեսնում ենք ոչ թե մեկ, այլ մի քանիսը.լուսային առավելագույնը. Որքան հեռու է առավելագույնը բնիկի մեջտեղից, այնքան բարձր է նրա կարգը: Բացի այդ, փորձի ճիշտ տեղադրմամբ, սովորական կարի ասեղից ստվերը (իհարկե, բարակ) բաժանվում է մի քանի շերտերի, իսկ թեթև առավելագույնը դիտվում է հենց ասեղի հետևում, և ոչ թե նվազագույնը:
Wulf-Bragg բանաձեւ
Վերևում արդեն ասացինք, որ վերջնական ազդանշանը բոլոր ռենտգենյան ֆոտոնների գումարն է, որոնք արտացոլվում են բյուրեղի ներսում նույն թեքությամբ հարթություններից: Բայց մեկ կարևոր հարաբերություն թույլ է տալիս ճշգրիտ հաշվարկել կառուցվածքը։ Առանց դրա ռենտգենյան դիֆրակցիան անօգուտ կլիներ: Wulf-Bragg բանաձևն ունի հետևյալ տեսքը՝ 2dsinƟ=nλ: Այստեղ d-ը նույն թեքության անկյունով հարթությունների միջև հեռավորությունն է, θ՝ հայացքի անկյունը (Բրագգի անկյունը), կամ հարթության վրա անկման անկյունը, n-ը դիֆրակցիոն առավելագույնի կարգն է, λ՝ ալիքի երկարությունը։ Քանի որ նախապես հայտնի է, թե որ ռենտգենյան սպեկտրն է օգտագործվում տվյալներ ստանալու համար և ինչ անկյան տակ է ընկնում այս ճառագայթումը, այս բանաձևը թույլ է տալիս հաշվարկել d-ի արժեքը։ Մենք արդեն մի փոքր ավելի բարձր ենք ասել, որ առանց այս տեղեկատվության հնարավոր չէ ճշգրիտ ստանալ նյութի կառուցվածքը։
Ռենտգենյան ճառագայթների դիֆրակցիայի ժամանակակից կիրառություն
Հարց է առաջանում՝ ո՞ր դեպքերում է անհրաժեշտ այս վերլուծությունը, չէ՞ որ գիտնականներն արդեն ուսումնասիրել են կառուցվածքային աշխարհում ամեն ինչ, և մարդիկ սկզբունքորեն նոր նյութեր ստանալիս չե՞ն ենթադրում, թե ինչ արդյունք է իրենց սպասվում։ ? Չորս պատասխան կա։
- Այո, մենք բավականին լավ ճանաչեցինք մեր մոլորակը: Բայց ամեն տարի նոր հանքանյութեր են հայտնաբերվում։ Երբեմն նրանց կառուցվածքը հավասար էառանց ռենտգենյան կռահելը չի ստացվի։
- Շատ գիտնականներ փորձում են բարելավել արդեն գոյություն ունեցող նյութերի հատկությունները։ Այս նյութերը ենթարկվում են տարբեր տեսակի մշակման (ճնշում, ջերմաստիճան, լազերներ և այլն)։ Երբեմն տարրեր են ավելացվում կամ հեռացվում դրանց կառուցվածքից: Բյուրեղների վրա ռենտգենյան դիֆրակցիան կօգնի հասկանալ, թե այս դեպքում ինչ ներքին վերադասավորումներ են տեղի ունեցել:
- Որոշ ծրագրերի համար (օրինակ՝ ակտիվ կրիչներ, լազերներ, հիշողության քարտեր, հսկողության համակարգերի օպտիկական տարրեր) բյուրեղները պետք է շատ ճշգրիտ համապատասխանեն: Ուստի դրանց կառուցվածքը ստուգվում է այս մեթոդով։
- Ռենտգենյան դիֆրակցիան միակ միջոցն է պարզելու, թե քանի և որ փուլեր են ստացվել բազմաբաղադրիչ համակարգերում սինթեզի ժամանակ։ Նման համակարգերի օրինակ կարող են ծառայել ժամանակակից տեխնոլոգիայի կերամիկական տարրերը։ Անցանկալի փուլերի առկայությունը կարող է հանգեցնել լուրջ հետևանքների։
Տիեզերական հետազոտություն
Շատերը հարցնում են. «Ինչու՞ են մեզ անհրաժեշտ հսկայական աստղադիտարաններ Երկրի ուղեծրում, ինչո՞ւ է մեզ անհրաժեշտ ռովեր, եթե մարդկությունը դեռ չի լուծել աղքատության և պատերազմի խնդիրները»:
Յուրաքանչյուրն ունի իր կողմ և դեմ պատճառները, բայց պարզ է, որ մարդկությունը պետք է երազանք ունենա։
Հետևաբար, նայելով աստղերին, այսօր մենք կարող ենք վստահորեն ասել. մենք ամեն օր ավելի ու ավելի շատ բան գիտենք նրանց մասին:
Տիեզերքում տեղի ունեցող գործընթացների ռենտգենյան ճառագայթները չեն հասնում մեր մոլորակի մակերեսին, դրանք կլանում են մթնոլորտը: Բայց այս հատվածըԷլեկտրամագնիսական սպեկտրը շատ տվյալներ է կրում բարձր էներգիայի երևույթների մասին։ Ուստի ռենտգենյան ճառագայթներն ուսումնասիրող գործիքները պետք է դուրս բերվեն Երկրից՝ ուղեծիր։ Ներկայումս գոյություն ունեցող կայանները ուսումնասիրում են հետևյալ օբյեկտները.
- գերնոր աստղերի պայթյունների մնացորդներ;
- գալակտիկաների կենտրոններ;
- նեյտրոնային աստղեր;
- սև խոռոչներ;
- զանգվածային օբյեկտների բախումներ (գալակտիկաներ, գալակտիկաների խմբեր):
Զարմանալիորեն, ըստ տարբեր նախագծերի, այս կայանների մուտքն ապահովված է ուսանողներին և նույնիսկ դպրոցականներին։ Նրանք ուսումնասիրում են խոր տարածությունից եկող ռենտգենյան ճառագայթները. նրանց հետաքրքրության առարկա են դառնում դիֆրակցիան, միջամտությունը, սպեկտրը։ Եվ այս տիեզերական աստղադիտարանների շատ երիտասարդ օգտվողները բացահայտումներ են անում: Բծախնդիր ընթերցողը, իհարկե, կարող է առարկել, որ նրանք պարզապես ժամանակ ունեն բարձր լուծաչափով նկարներ դիտելու և նուրբ մանրամասներ նկատելու համար: Եվ իհարկե, հայտնագործությունների կարեւորությունը, որպես կանոն, հասկանում են միայն լուրջ աստղագետները։ Բայց նման դեպքերը երիտասարդներին ոգեշնչում են իրենց կյանքը նվիրել տիեզերքի հետախուզմանը։ Եվ այս նպատակն արժե հետապնդել:
Այսպիսով, Վիլհելմ Կոնրադ Ռենտգենի ձեռքբերումները բացեցին աստղային գիտելիքների հասանելիությունը և այլ մոլորակները նվաճելու կարողությունը:
