ეს სტატია შეიცავს ისეთი რამის აღწერას, როგორიცაა რენტგენის დიფრაქცია. ამ ფენომენის ფიზიკური საფუძველი და მისი გამოყენება აქ არის ახსნილი.
ტექნოლოგიები ახალი მასალების შესაქმნელად
ინოვაცია, ნანოტექნოლოგია თანამედროვე მსოფლიოს ტენდენციაა. ახალი ამბები სავსეა ახალი რევოლუციური მასალების სიუჟეტებით. მაგრამ ცოტა ადამიანი ფიქრობს იმაზე, თუ რა უზარმაზარი კვლევითი აპარატი სჭირდებათ მეცნიერებს არსებული ტექნოლოგიების მცირედი გაუმჯობესების შესაქმნელად. ერთ-ერთი ფუნდამენტური ფენომენი, რომელიც ეხმარება ადამიანებს ამის გაკეთებაში, არის რენტგენის დიფრაქცია.
ელექტრომაგნიტური გამოსხივება
პირველ რიგში უნდა აგიხსნათ რა არის ელექტრომაგნიტური გამოსხივება. ნებისმიერი მოძრავი დამუხტული სხეული თავის გარშემო წარმოქმნის ელექტრომაგნიტურ ველს. ეს ველები ირგვლივ ყველაფერს ფარავს, ღრმა სივრცის ვაკუუმიც კი არ არის მათგან თავისუფალი. თუ ასეთ ველში არის პერიოდული აშლილობა, რომელსაც შეუძლია სივრცეში გავრცელება, მათ ელექტრომაგნიტური გამოსხივება ეწოდება. მის აღწერისთვის გამოიყენება ცნებები, როგორიცაა ტალღის სიგრძე, სიხშირე და მისი ენერგია. რა არის ენერგია ინტუიციურია, ხოლო ტალღის სიგრძე არის მანძილიიდენტური ფაზები (მაგალითად, ორ მიმდებარე მაქსიმუმს შორის). რაც უფრო მაღალია ტალღის სიგრძე (და, შესაბამისად, სიხშირე), მით უფრო დაბალია მისი ენერგია. შეგახსენებთ, რომ ეს ცნებები აუცილებელია იმის აღსაწერად, თუ რა არის რენტგენის დიფრაქცია მოკლედ და ლაკონურად.
ელექტრომაგნიტური სპექტრი
ყველა სხვადასხვა ელექტრომაგნიტური სხივები ჯდება სპეციალურ მასშტაბზე. ტალღის სიგრძიდან გამომდინარე, განასხვავებენ (გრძელიდან უმოკლესამდე):
- რადიოტალღები;
- ტერაჰერცის ტალღები;
- ინფრაწითელი ტალღები;
- ხილული ტალღები;
- ულტრაიისფერი ტალღები;
- რენტგენის ტალღები;
- გამა გამოსხივება.
ამგვარად, რადიაციას, რომელიც ჩვენ გვაინტერესებს, აქვს ძალიან მოკლე ტალღის სიგრძე და უმაღლესი ენერგიები (ამიტომაც მას ხანდახან ხისტსაც უწოდებენ). ამიტომ, ჩვენ უფრო ვუახლოვდებით იმის აღწერას, თუ რა არის რენტგენის დიფრაქცია.
რენტგენის წარმოშობა
რაც უფრო მაღალია გამოსხივების ენერგია, მით უფრო რთულია მისი ხელოვნურად მიღება. ხანძრის გაჩენის შემდეგ ადამიანი იღებს უამრავ ინფრაწითელ გამოსხივებას, რადგან სწორედ ის გადასცემს სითბოს. მაგრამ იმისათვის, რომ მოხდეს რენტგენის სხივების დიფრაქცია სივრცითი სტრუქტურებით, დიდი ძალისხმევაა საჭირო. ასე რომ, ამ სახის ელექტრომაგნიტური გამოსხივება გამოიყოფა, როდესაც ელექტრონი ამოვარდება ბირთვთან ახლოს მდებარე ატომის გარსიდან. ზემოთ მდებარე ელექტრონები მიდრეკილნი არიან შეავსონ მიღებული ხვრელი, მათი გადასვლები და აძლევენ რენტგენის ფოტონებს. ასევე, მასის მქონე დამუხტული ნაწილაკების მკვეთრი შენელების დროს (მაგ.ელექტრონები), წარმოიქმნება ეს მაღალი ენერგიის სხივები. ამრიგად, ბროლის გისოსზე რენტგენის სხივების დიფრაქციას თან ახლავს საკმაოდ დიდი რაოდენობის ენერგიის ხარჯვა.
ინდუსტრიული მასშტაბით, ეს გამოსხივება მიიღება შემდეგნაირად:
- კათოდი ასხივებს მაღალი ენერგიის ელექტრონს.
- ელექტრონი ეჯახება ანოდის მასალას.
- ელექტრონი მკვეთრად ნელდება (რენტგენის სხივების გამოსხივებისას).
- სხვა შემთხვევაში, შენელებული ნაწილაკი ანოდის მასალისგან ატომის დაბალი ორბიტიდან გამოაქვს ელექტრონს, რომელიც ასევე წარმოქმნის რენტგენის სხივებს.
აუცილებელია იმის გაგებაც, რომ, როგორც ნებისმიერ სხვა ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას, რენტგენის სხივებსაც აქვს თავისი სპექტრი. თავად ეს გამოსხივება საკმაოდ ფართოდ გამოიყენება. ყველამ იცის, რომ ფილტვებში გატეხილი ძვლის ან მასის მოძებნა ხდება რენტგენის დახმარებით.
კრისტალური ნივთიერების სტრუქტურა
ახლა ჩვენ მივუახლოვდით იმას, თუ რა არის რენტგენის დიფრაქციის მეთოდი. ამისათვის საჭიროა ავხსნათ როგორ არის მოწყობილი მყარი სხეული. მეცნიერებაში მყარ სხეულს უწოდებენ ნებისმიერ ნივთიერებას კრისტალურ მდგომარეობაში. ხე, თიხა ან მინა მყარია, მაგრამ მათ აკლიათ მთავარი: პერიოდული სტრუქტურა. მაგრამ კრისტალებს აქვთ ეს საოცარი თვისება. ამ ფენომენის სახელი შეიცავს მის არსს. ჯერ უნდა გესმოდეთ, რომ კრისტალში ატომები მყარად ფიქსირდება. მათ შორის კავშირებს აქვთ ელასტიურობის გარკვეული ხარისხი, მაგრამ ისინი ზედმეტად ძლიერია ატომების შიგნით გადაადგილებისთვის.ბადეები. ასეთი ეპიზოდები შესაძლებელია, მაგრამ ძალიან ძლიერი გარეგანი გავლენით. მაგალითად, თუ ლითონის კრისტალი მოხრილია, მასში წარმოიქმნება სხვადასხვა ტიპის წერტილოვანი დეფექტები: ზოგან ატომი ტოვებს თავის ადგილს, ქმნის ვაკანსიას, ზოგან ის გადადის არასწორ პოზიციებზე, ქმნის ინტერსტიციულ დეფექტს. მოსახვევის ადგილას კრისტალი კარგავს თავის სუსტ კრისტალურ სტრუქტურას, ხდება ძალიან დეფექტური, ფხვიერი. ამიტომ ჯობია არ გამოიყენოთ ერთხელ მოხრილი ქაღალდის სამაგრი, რადგან ლითონმა დაკარგა თვისებები.
თუ ატომები მყარად არის დაფიქსირებული, ისინი აღარ შეიძლება შემთხვევით განლაგდეს ერთმანეთთან შედარებით, როგორც სითხეებში. მათ უნდა მოაწყონ თავი ისე, რომ მინიმუმამდე დაიყვანონ მათი ურთიერთქმედების ენერგია. ამრიგად, ატომები ხაზს უსვამენ გისოსებს. თითოეულ გისოსში არის ატომების მინიმალური ნაკრები, რომლებიც განლაგებულია სივრცეში სპეციალურად - ეს არის კრისტალის ელემენტარული უჯრედი. თუ მას მთლიანად გავავრცელებთ, ანუ გავაერთიანებთ კიდეებს ერთმანეთთან, გადავინაცვლებთ ნებისმიერი მიმართულებით, მივიღებთ მთელ კრისტალს. თუმცა, უნდა გვახსოვდეს, რომ ეს არის მოდელი. ნებისმიერ ნამდვილ კრისტალს აქვს დეფექტები და აბსოლუტურად ზუსტი თარგმანის მიღწევა თითქმის შეუძლებელია. თანამედროვე სილიკონის მეხსიერების უჯრედები ახლოსაა იდეალურ კრისტალებთან. თუმცა, მათი მოპოვება მოითხოვს წარმოუდგენელ ენერგიას და სხვა რესურსებს. ლაბორატორიაში მეცნიერები იღებენ სხვადასხვა სახის სრულყოფილ სტრუქტურებს, მაგრამ, როგორც წესი, მათი შექმნის ხარჯები ძალიან მაღალია. მაგრამ ჩვენ ვივარაუდებთ, რომ ყველა კრისტალი იდეალურია: ნებისმიერშიმიმართულებით, ერთი და იგივე ატომები განლაგდებიან ერთმანეთისგან იმავე მანძილზე. ამ სტრუქტურას ბროლის ბადე ეწოდება.
კრისტალური სტრუქტურის შესწავლა
ამ ფაქტის გამოა შესაძლებელი, რომ კრისტალებზე რენტგენის დიფრაქციაა შესაძლებელი. კრისტალების პერიოდული სტრუქტურა ქმნის მათში გარკვეულ სიბრტყეებს, რომლებშიც უფრო მეტი ატომია, ვიდრე სხვა მიმართულებით. ზოგჯერ ეს სიბრტყეები ჩამოყალიბებულია ბროლის ბადის სიმეტრიით, ზოგჯერ ატომების ურთიერთგანლაგებით. თითოეულ თვითმფრინავს ენიჭება საკუთარი აღნიშვნა. სიბრტყეებს შორის მანძილი ძალიან მცირეა: რამდენიმე ანგსტრომის რიგის მიხედვით (გავიხსენოთ, ანგსტრომი არის 10-10 მეტრი ან 0,1 ნანომეტრი).
თუმცა, ნებისმიერ რეალურ კრისტალში, თუნდაც ძალიან პატარა, ერთი და იმავე მიმართულებით ბევრი თვითმფრინავია. რენტგენის დიფრაქცია, როგორც მეთოდი, იყენებს ამ ფაქტს: ყველა ტალღა, რომელმაც შეიცვალა მიმართულება იმავე მიმართულების სიბრტყეებზე, შეჯამებულია, რაც გამოსვლისას იძლევა საკმაოდ მკაფიო სიგნალს. ასე რომ, მეცნიერებს შეუძლიათ გაიგონ, რა მიმართულებებით არის განლაგებული ეს თვითმფრინავები ბროლის შიგნით და განსაჯონ კრისტალური სტრუქტურის შიდა სტრუქტურა. თუმცა, მხოლოდ ეს მონაცემები საკმარისი არ არის. დახრილობის კუთხის გარდა, თქვენ ასევე უნდა იცოდეთ მანძილი თვითმფრინავებს შორის. ამის გარეშე, შეგიძლიათ მიიღოთ სტრუქტურის ათასობით სხვადასხვა მოდელი, მაგრამ არ იცოდეთ ზუსტი პასუხი. როგორ სწავლობენ მეცნიერები თვითმფრინავებს შორის მანძილის შესახებ, ქვემოთ იქნება განხილული.
დიფრაქციული ფენომენი
ჩვენ უკვე მივეცით ფიზიკური დასაბუთება, თუ რა არის რენტგენის დიფრაქცია კრისტალების სივრცულ გისოსებზე. თუმცა არსი ჯერ არ გვიხსნიადიფრაქციული ფენომენები. ასე რომ, დიფრაქცია არის დაბრკოლებების დამრგვალება ტალღებით (მათ შორის ელექტრომაგნიტური). როგორც ჩანს, ეს ფენომენი ხაზოვანი ოპტიკის კანონის დარღვევაა, მაგრამ ეს ასე არ არის. ის მჭიდროდ არის დაკავშირებული, მაგალითად, ფოტონების ჩარევასთან და ტალღურ თვისებებთან. თუ სინათლის გზაზე დაბრკოლებაა, მაშინ დიფრაქციის გამო ფოტონებს შეუძლიათ "მოიხედონ" კუთხეში. რამდენად დაშორებულია სინათლის მიმართულება სწორი ხაზიდან, დამოკიდებულია დაბრკოლების ზომაზე. რაც უფრო მცირეა დაბრკოლება, მით უფრო მოკლე უნდა იყოს ელექტრომაგნიტური ტალღის სიგრძე. სწორედ ამიტომ, რენტგენის დიფრაქცია ერთკრისტალებზე ხორციელდება ასეთი მოკლე ტალღების გამოყენებით: სიბრტყეებს შორის მანძილი ძალიან მცირეა, ოპტიკური ფოტონები მათ შორის უბრალოდ არ „დაძვრებიან“, არამედ მხოლოდ ზედაპირიდან აირეკლება.
ასეთი კონცეფცია მართალია, მაგრამ თანამედროვე მეცნიერებაში ის ძალიან ვიწროდ ითვლება. მისი განმარტების გაფართოების მიზნით, ისევე როგორც ზოგადი ერუდიციისთვის, წარმოგიდგენთ ტალღის დიფრაქციის გამოვლენის მეთოდებს.
- ტალღების სივრცითი სტრუქტურის შეცვლა. მაგალითად, ტალღის სხივის გავრცელების კუთხის გაფართოება, ტალღის ან ტალღების სერიის გადახრა რომელიმე სასურველი მიმართულებით. ფენომენების ამ კლასს მიეკუთვნება დაბრკოლებების გარშემო ტალღების მოხვევა.
- ტალღების დაშლა სპექტრად.
- ტალღის პოლარიზაციის ცვლილება.
- ტალღების ფაზური სტრუქტურის ტრანსფორმაცია.
დიფრაქციის ფენომენი, ჩარევასთან ერთად, პასუხისმგებელია იმ ფაქტზე, რომ როდესაც სინათლის სხივი მიმართულია მის უკან ვიწრო ჭრილში, ჩვენ ვხედავთ არა ერთს, არამედ რამდენიმეს.სინათლის მაქსიმუმი. რაც უფრო შორს არის მაქსიმუმი სლოტის შუა ნაწილიდან, მით უფრო მაღალია მისი რიგი. გარდა ამისა, ექსპერიმენტის სწორი დაყენებით, ჩვეულებრივი სამკერვალო ნემსის ჩრდილი (რა თქმა უნდა, თხელი) იყოფა რამდენიმე ზოლად, ხოლო მსუბუქი მაქსიმუმი ზუსტად ნემსის უკან შეინიშნება და არა მინიმალური.
ვულფ-ბრეგის ფორმულა
ზემოთ უკვე ვთქვით, რომ საბოლოო სიგნალი არის ყველა რენტგენის ფოტონების ჯამი, რომლებიც აისახება ბროლის შიგნით იგივე დახრილობის მქონე თვითმფრინავებიდან. მაგრამ ერთი მნიშვნელოვანი კავშირი საშუალებას გაძლევთ ზუსტად გამოთვალოთ სტრუქტურა. ამის გარეშე რენტგენის დიფრაქცია უსარგებლო იქნებოდა. Wulf-Bragg-ის ფორმულა ასე გამოიყურება: 2dsinƟ=nλ. აქ d არის მანძილი სიბრტყეებს შორის იმავე დახრილობის კუთხით, θ არის შეხედვის კუთხე (ბრეგის კუთხე), ან დაცემის კუთხე სიბრტყეზე, n არის დიფრაქციის მაქსიმალური რიგი, λ არის ტალღის სიგრძე. ვინაიდან წინასწარ არის ცნობილი, თუ რომელი რენტგენის სპექტრი გამოიყენება მონაცემების მისაღებად და რა კუთხით ეცემა ეს გამოსხივება, ეს ფორმულა საშუალებას გვაძლევს გამოვთვალოთ d-ის მნიშვნელობა. ცოტა ზემოთ უკვე ვთქვით, რომ ამ ინფორმაციის გარეშე შეუძლებელია ნივთიერების სტრუქტურის ზუსტად მიღება.
რენტგენის დიფრაქციის თანამედროვე გამოყენება
იბადება კითხვა: რა შემთხვევაშია საჭირო ეს ანალიზი, განა მეცნიერებმა უკვე არ გამოიკვლიეს ყველაფერი სტრუქტურის სამყაროში და განა ადამიანები ფუნდამენტურად ახალი ნივთიერებების მოპოვებისას არ ფიქრობენ, როგორი შედეგი ელის მათ. ? არის ოთხი პასუხი.
- დიახ, ჩვენ საკმაოდ კარგად გავიცანით ჩვენი პლანეტა. მაგრამ ყოველწლიურად ახალი მინერალები გვხვდება. ზოგჯერ მათი სტრუქტურა თანაბარიაგამოცნობა რენტგენის გარეშე არ იმუშავებს.
- ბევრი მეცნიერი ცდილობს გააუმჯობესოს უკვე არსებული მასალების თვისებები. ეს ნივთიერებები ექვემდებარება სხვადასხვა სახის დამუშავებას (წნევა, ტემპერატურა, ლაზერები და ა.შ.). ზოგჯერ ელემენტები ემატება ან ამოღებულია მათ სტრუქტურაში. კრისტალებზე რენტგენის დიფრაქცია დაგვეხმარება იმის გაგებაში, თუ რა შიდა გადაწყობა მოხდა ამ შემთხვევაში.
- ზოგიერთი აპლიკაციისთვის (მაგ., აქტიური მედია, ლაზერები, მეხსიერების ბარათები, სათვალთვალო სისტემების ოპტიკური ელემენტები), კრისტალები ძალიან ზუსტად უნდა შეესაბამებოდეს ერთმანეთს. ამიტომ მათი სტრუქტურა შემოწმდება ამ მეთოდით.
- რენტგენის დიფრაქცია არის ერთადერთი გზა იმის გასარკვევად, თუ რამდენი და რომელი ფაზა იქნა მიღებული სინთეზის დროს მრავალკომპონენტიან სისტემებში. თანამედროვე ტექნოლოგიების კერამიკული ელემენტები შეიძლება გახდეს ასეთი სისტემების მაგალითი. არასასურველი ფაზების არსებობამ შეიძლება გამოიწვიოს სერიოზული შედეგები.
კოსმოსის კვლევა
ბევრი ადამიანი კითხულობს: "რატომ გვჭირდება უზარმაზარი ობსერვატორიები დედამიწის ორბიტაზე, რატომ გვჭირდება როვერი, თუ კაცობრიობას ჯერ არ გადაუწყვეტია სიღარიბისა და ომის პრობლემები?"
ყველას აქვს თავისი მიზეზი და წინააღმდეგი, მაგრამ ცხადია, რომ კაცობრიობას ოცნება უნდა ჰქონდეს.
ამიტომ, ვარსკვლავებს რომ ვუყურებთ, დღეს შეგვიძლია დარწმუნებით ვთქვათ: ყოველდღიურად უფრო და უფრო მეტი ვიცით მათ შესახებ.
რენტგენის სხივები კოსმოსში მიმდინარე პროცესებიდან არ აღწევს ჩვენი პლანეტის ზედაპირს, ისინი შეიწოვება ატმოსფეროში. მაგრამ ეს ნაწილიელექტრომაგნიტური სპექტრი ატარებს უამრავ მონაცემს მაღალი ენერგეტიკული ფენომენების შესახებ. ამიტომ, ინსტრუმენტები, რომლებიც სწავლობენ რენტგენის სხივებს, დედამიწიდან უნდა გავიტანოთ ორბიტაზე. ამჟამად არსებული სადგურები სწავლობენ შემდეგ ობიექტებს:
- სუპერნოვას აფეთქებების ნარჩენები;
- გალაქტიკების ცენტრები;
- ნეიტრონული ვარსკვლავები;
- შავი ხვრელები;
- მასიური ობიექტების შეჯახება (გალაქტიკები, გალაქტიკათა ჯგუფები).
გასაკვირველია, რომ სხვადასხვა პროექტების მიხედვით, ამ სადგურებზე წვდომა უზრუნველყოფილია სტუდენტებისთვის და სკოლის მოსწავლეებისთვისაც კი. ისინი სწავლობენ ღრმა სივრციდან მოსულ რენტგენის სხივებს: მათი ინტერესის საგანი ხდება დიფრაქცია, ინტერფერენცია, სპექტრი. და ამ კოსმოსური ობსერვატორიების ზოგიერთი ძალიან ახალგაზრდა მომხმარებელი აკეთებს აღმოჩენებს. ზედმიწევნით მკითხველს, რა თქმა უნდა, შეუძლია გააპროტესტოს, რომ მათ უბრალოდ აქვთ დრო, გადახედონ მაღალი გარჩევადობის სურათებს და შეამჩნიონ დახვეწილი დეტალები. და რა თქმა უნდა, აღმოჩენების მნიშვნელობა, როგორც წესი, მხოლოდ სერიოზულ ასტრონომებს ესმით. მაგრამ ასეთი შემთხვევები შთააგონებს ახალგაზრდებს, დაუთმონ თავიანთი ცხოვრება კოსმოსის შესწავლას. და ამ მიზნის მიღწევა ღირს.
ამგვარად, ვილჰელმ კონრად რენტგენის მიღწევებმა გახსნა წვდომა ვარსკვლავურ ცოდნაზე და სხვა პლანეტების დაპყრობის შესაძლებლობა.
