Ky artikull përmban një përshkrim të një gjëje të tillë si difraksioni i rrezeve X. Baza fizike e këtij fenomeni dhe aplikimet e tij shpjegohen këtu.
Teknologjitë për krijimin e materialeve të reja
Inovacioni, nanoteknologjia është tendenca e botës moderne. Lajmet janë plot me raporte të materialeve të reja revolucionare. Por pak njerëz mendojnë se çfarë një aparati të madh kërkimi u nevojitet shkencëtarëve për të krijuar të paktën një përmirësim të vogël në teknologjitë ekzistuese. Një nga fenomenet themelore që i ndihmon njerëzit ta bëjnë këtë është difraksioni i rrezeve X.
Rrezatimi elektromagnetik
Së pari ju duhet të shpjegoni se çfarë është rrezatimi elektromagnetik. Çdo trup i ngarkuar në lëvizje gjeneron një fushë elektromagnetike rreth vetes. Këto fusha përshkojnë gjithçka përreth, madje edhe vakuumi i hapësirës së thellë nuk është i lirë prej tyre. Nëse në një fushë të tillë ka shqetësime periodike që mund të përhapen në hapësirë, ato quhen rrezatim elektromagnetik. Për ta përshkruar atë, përdoren koncepte të tilla si gjatësia e valës, frekuenca dhe energjia e saj. Ajo që është energjia është intuitive, dhe gjatësia e valës është distanca ndërmjet tyrefaza identike (për shembull, midis dy maksimumeve ngjitur). Sa më e lartë të jetë gjatësia e valës (dhe, në përputhje me rrethanat, frekuenca), aq më e ulët është energjia e saj. Kujtoni se këto koncepte janë të nevojshme për të përshkruar se çfarë është difraksioni me rreze X në mënyrë koncize dhe të përmbledhur.
spektër elektromagnetik
E gjithë shumëllojshmëria e rrezeve elektromagnetike përshtaten në një shkallë të veçantë. Në varësi të gjatësisë së valës, ato dallojnë (nga më e gjata tek më e shkurtra):
- valë radio;
- valë terahertz;
- valë infra të kuqe;
- valë të dukshme;
- valë ultravjollcë;
- valët me rreze X;
- rrezatim gama.
Kështu, rrezatimi që na intereson ka një gjatësi vale shumë të shkurtër dhe energjitë më të larta (për këtë arsye quhet ndonjëherë i fortë). Prandaj, po i afrohemi më shumë përshkrimit se çfarë është difraksioni i rrezeve X.
Origjina e rrezeve X
Sa më e lartë të jetë energjia e rrezatimit, aq më e vështirë është për ta marrë atë artificialisht. Pasi ka ndezur një zjarr, një person merr shumë rrezatim infra të kuqe, sepse është ai që transferon nxehtësinë. Por që të ndodhë difraksioni i rrezeve X nga strukturat hapësinore, duhet bërë shumë përpjekje. Pra, ky lloj rrezatimi elektromagnetik lirohet kur një elektron rrëzohet nga guaska e një atomi, e cila është afër bërthamës. Elektronet e vendosura sipër priren të mbushin vrimën që rezulton, tranzicionet e tyre dhe të japin fotone me rreze X. Gjithashtu, gjatë ngadalësimit të mprehtë të grimcave të ngarkuara me masë (për shembull,elektrone), prodhohen këto rreze me energji të lartë. Kështu, difraksioni i rrezeve X në një rrjetë kristalore shoqërohet me shpenzimin e një sasie mjaft të madhe energjie.
Në shkallë industriale, ky rrezatim përftohet si më poshtë:
- Katoda lëshon një elektron me energji të lartë.
- Elektroni përplaset me materialin e anodës.
- Elektroni ngadalësohet ndjeshëm (ndërsa lëshon rreze X).
- Në një rast tjetër, grimca ngadalësuese rrëzon një elektron nga orbita e ulët e atomit nga materiali i anodës, i cili gjithashtu gjeneron rreze X.
Është gjithashtu e nevojshme të kuptohet se, si çdo rrezatim tjetër elektromagnetik, rrezet X kanë spektrin e tyre. Ky rrezatim në vetvete përdoret mjaft gjerësisht. Të gjithë e dinë se një kockë e thyer ose një masë në mushkëri kërkohet me ndihmën e rrezeve X.
Struktura e një substance kristalore
Tani i afrohemi asaj që është metoda e difraksionit me rreze X. Për ta bërë këtë, është e nevojshme të shpjegohet se si është rregulluar një trup i fortë. Në shkencë, trup i ngurtë quhet çdo substancë në gjendje kristalore. Druri, b alta ose qelqi janë të ngurta, por atyre u mungon gjëja kryesore: një strukturë periodike. Por kristalet kanë këtë veti të mahnitshme. Vetë emri i këtij fenomeni përmban thelbin e tij. Së pari ju duhet të kuptoni se atomet në kristal janë të fiksuar në mënyrë të ngurtë. Lidhjet midis tyre kanë një farë mase elasticiteti, por ato janë shumë të forta që atomet të lëvizin brenda.grila. Episode të tilla janë të mundshme, por me një ndikim shumë të fortë të jashtëm. Për shembull, nëse një kristal metalik është i përkulur, në të formohen defekte pikash të llojeve të ndryshme: në disa vende, atomi largohet nga vendi i tij, duke formuar një boshllëk, në të tjera, ai lëviz në pozicione të gabuara, duke formuar një defekt intersticial. Në vendin e kthesës, kristali humbet strukturën e tij të hollë kristalore, bëhet shumë i dëmtuar, i lirshëm. Prandaj, është më mirë të mos përdorni një kapëse letre që nuk është lakuar një herë, pasi metali ka humbur vetitë e tij.
Nëse atomet janë të fiksuara në mënyrë të ngurtë, ato nuk mund të renditen më rastësisht në raport me njëri-tjetrin, si në lëngje. Ata duhet të organizohen në atë mënyrë që të minimizojnë energjinë e ndërveprimit të tyre. Kështu, atomet rreshtohen në një rrjetë. Në çdo grilë ka një grup minimal atomesh të rregulluar në një mënyrë të veçantë në hapësirë - kjo është qeliza elementare e kristalit. Nëse e transmetojmë plotësisht, domethënë kombinojmë skajet me njëra-tjetrën, duke u zhvendosur në çdo drejtim, do të marrim të gjithë kristalin. Sidoqoftë, ia vlen të kujtojmë se ky është një model. Çdo kristal i vërtetë ka defekte dhe është pothuajse e pamundur të arrihet një përkthim absolutisht i saktë. Qelizat moderne të kujtesës së silikonit janë afër kristaleve ideale. Megjithatë, marrja e tyre kërkon sasi të jashtëzakonshme energjie dhe burime të tjera. Në laborator, shkencëtarët marrin struktura perfekte të llojeve të ndryshme, por, si rregull, kostot e krijimit të tyre janë shumë të larta. Por ne do të supozojmë se të gjithë kristalet janë ideale: në cilindodrejtim, të njëjtat atome do të vendosen në të njëjtat distanca nga njëri-tjetri. Kjo strukturë quhet një rrjetë kristalore.
Studimi i strukturës kristalore
Për shkak të këtij fakti që difraksioni me rreze X në kristale është i mundur. Struktura periodike e kristaleve krijon plane të caktuara në to, në të cilat ka më shumë atome sesa në drejtime të tjera. Ndonjëherë këto plane vendosen nga simetria e rrjetës kristalore, ndonjëherë nga rregullimi i ndërsjellë i atomeve. Secilit aeroplan i është caktuar përcaktimi i tij. Distancat midis avionëve janë shumë të vogla: në rendin e disa angstromave (kujtoni, një angstrom është 10-10 metër ose 0,1 nanometër).
Megjithatë, ka shumë plane të të njëjtit drejtim në çdo kristal të vërtetë, qoftë edhe në një kristal shumë të vogël. Difraksioni i rrezeve X si metodë e shfrytëzon këtë fakt: të gjitha valët që kanë ndryshuar drejtim në plane të të njëjtit drejtim përmblidhen, duke dhënë një sinjal mjaft të qartë në dalje. Kështu që shkencëtarët mund të kuptojnë se në cilat drejtime ndodhen këto plane brenda kristalit dhe të gjykojnë strukturën e brendshme të strukturës kristalore. Megjithatë, vetëm këto të dhëna nuk mjaftojnë. Përveç këndit të prirjes, duhet të dini edhe distancën midis avionëve. Pa këtë, ju mund të merrni mijëra modele të ndryshme të strukturës, por nuk e dini përgjigjen e saktë. Se si shkencëtarët mësojnë për distancën midis avionëve do të diskutohet më poshtë.
Dukuria e difraksionit
Ne kemi dhënë tashmë një justifikim fizik se çfarë është difraksioni i rrezeve X në rrjetën hapësinore të kristaleve. Megjithatë, ne nuk e kemi shpjeguar ende thelbindukuritë e difraksionit. Pra, difraksioni është rrumbullakimi i pengesave nga valët (përfshirë ato elektromagnetike). Ky fenomen duket se është një shkelje e ligjit të optikës lineare, por nuk është ashtu. Është e lidhur ngushtë me interferencën dhe vetitë valore të, për shembull, fotoneve. Nëse ka një pengesë në rrugën e dritës, atëherë për shkak të difraksionit, fotonet mund të "shikojnë" rreth qoshe. Sa larg udhëton drejtimi i dritës nga një vijë e drejtë varet nga madhësia e pengesës. Sa më e vogël të jetë pengesa, aq më e shkurtër duhet të jetë gjatësia e valës elektromagnetike. Kjo është arsyeja pse difraksioni i rrezeve X në kristalet e vetme kryhet duke përdorur valë të tilla të shkurtra: distanca midis avionëve është shumë e vogël, fotonet optike thjesht nuk do të "zvarriten" midis tyre, por do të reflektohen vetëm nga sipërfaqja.
Një koncept i tillë është i vërtetë, por në shkencën moderne konsiderohet shumë i ngushtë. Për të zgjeruar përkufizimin e tij, si dhe për erudicionin e përgjithshëm, ne paraqesim metodat për manifestimin e difraksionit të valës.
- Ndryshimi i strukturës hapësinore të valëve. Për shembull, zgjerimi i këndit të përhapjes së një rreze vale, devijimi i një vale ose një serie valësh në një drejtim të preferuar. Pikërisht kësaj klase dukurish i përket përkulja e valëve rreth pengesave.
- Zbërthimi i valëve në një spektër.
- Ndryshim në polarizimin e valës.
- Transformimi i strukturës fazore të valëve.
Fenomeni i difraksionit, së bashku me interferencën, është përgjegjës për faktin se kur një rreze drite drejtohet në një çarje të ngushtë pas saj, ne shohim jo një, por disamaksimumi i dritës. Sa më larg të jetë maksimumi nga mesi i slotit, aq më i lartë është rendi i tij. Përveç kësaj, me vendosjen e saktë të eksperimentit, hija nga një gjilpërë e zakonshme qepëse (natyrisht, e hollë) ndahet në disa vija, dhe maksimumi i dritës vërehet saktësisht pas gjilpërës, dhe jo minimumi.
Formula Wulf-Bragg
Ne kemi thënë tashmë më lart se sinjali përfundimtar është shuma e të gjithë fotoneve me rreze X që reflektohen nga aeroplanët me të njëjtën prirje brenda kristalit. Por një lidhje e rëndësishme ju lejon të llogarisni me saktësi strukturën. Pa të, difraksioni me rreze X do të ishte i padobishëm. Formula Wulf-Bragg duket si kjo: 2dsinƟ=nλ. Këtu d është distanca midis planeve me të njëjtin kënd prirje, θ është këndi i shikimit (këndi Bragg), ose këndi i rënies në rrafsh, n është rendi i maksimumit të difraksionit, λ është gjatësia e valës. Meqenëse dihet paraprakisht se cili spektër i rrezeve X përdoret për të marrë të dhëna dhe në çfarë këndi bie ky rrezatim, kjo formulë na lejon të llogarisim vlerën e d. Tashmë kemi thënë pak më lart se pa këtë informacion është e pamundur të merret me saktësi struktura e një substance.
Zbatimi modern i difraksionit të rrezeve X
Shtrohet pyetja: në cilat raste nevojitet kjo analizë, a nuk kanë hulumtuar tashmë shkencëtarët gjithçka në botën e strukturës dhe a nuk supozojnë njerëzit, kur marrin substanca thelbësisht të reja, çfarë rezultati i pret ? Ka katër përgjigje.
- Po, ne e njohëm mjaft mirë planetin tonë. Por çdo vit gjenden minerale të reja. Ndonjëherë struktura e tyre është e barabartëhamendësimi pa rreze x nuk do të funksionojë.
- Shumë shkencëtarë po përpiqen të përmirësojnë vetitë e materialeve tashmë ekzistuese. Këto substanca i nënshtrohen llojeve të ndryshme të përpunimit (presion, temperaturë, lazer, etj.). Ndonjëherë elementë shtohen ose hiqen nga struktura e tyre. Difraksioni me rreze X në kristale do të ndihmojë për të kuptuar se çfarë rirregullimesh të brendshme kanë ndodhur në këtë rast.
- Për disa aplikacione (p.sh. media aktive, lazer, karta memorie, elemente optike të sistemeve të mbikqyrjes), kristalet duhet të përputhen me shumë saktësi. Prandaj, struktura e tyre kontrollohet duke përdorur këtë metodë.
- Difraksioni me rreze X është e vetmja mënyrë për të zbuluar se sa dhe cilat faza janë marrë gjatë sintezës në sistemet me shumë komponentë. Elementet qeramike të teknologjisë moderne mund të shërbejnë si shembull i sistemeve të tilla. Prania e fazave të padëshiruara mund të çojë në pasoja të rënda.
eksplorim i hapësirës
Shumë njerëz pyesin: "Pse na duhen observatorë të mëdhenj në orbitën e Tokës, pse na duhet një rover nëse njerëzimi nuk i ka zgjidhur ende problemet e varfërisë dhe luftës?"
Secili ka arsyet e veta pro dhe kundër, por është e qartë se njerëzimi duhet të ketë një ëndërr.
Prandaj, duke parë yjet, sot mund të themi me besim: ne dimë çdo ditë e më shumë rreth tyre.
Rrezet X nga proceset që ndodhin në hapësirë nuk arrijnë në sipërfaqen e planetit tonë, ato përthithen nga atmosfera. Por kjo pjesëSpektri elektromagnetik mbart shumë të dhëna për fenomenet me energji të lartë. Prandaj, instrumentet që studiojnë rrezet X duhet të nxirren nga Toka, në orbitë. Aktualisht stacionet ekzistuese po studiojnë objektet e mëposhtme:
- mbetjet e shpërthimeve të supernovës;
- qendrat e galaktikave;
- yje neutronike;
- vrima të zeza;
- përplasjet e objekteve masive (galaktikat, grupet e galaktikave).
Çuditërisht, sipas projekteve të ndryshme, aksesi në këto stacione u sigurohet studentëve dhe madje edhe nxënësve të shkollës. Ata studiojnë rrezet X që vijnë nga hapësira e thellë: difraksioni, interferenca, spektri bëhen objekt i interesit të tyre. Dhe disa përdorues shumë të rinj të këtyre observatorëve hapësinorë po bëjnë zbulime. Një lexues i përpiktë, sigurisht, mund të kundërshtojë se ata thjesht kanë kohë të shikojnë fotografi me rezolucion të lartë dhe të vërejnë detaje delikate. Dhe sigurisht, rëndësia e zbulimeve, si rregull, kuptohet vetëm nga astronomët seriozë. Por raste të tilla frymëzojnë të rinjtë që t'i kushtojnë jetën e tyre eksplorimit të hapësirës. Dhe ky synim ia vlen të ndiqet.
Kështu, arritjet e Wilhelm Conrad Roentgen hapën aksesin në njohuritë yjore dhe aftësinë për të pushtuar planetë të tjerë.
