Tento článok obsahuje popis niečoho ako röntgenová difrakcia. Fyzikálny základ tohto javu a jeho aplikácie sú vysvetlené tu.
Technológie na vytváranie nových materiálov
Inovácie, nanotechnológie sú trendom moderného sveta. Novinky sú plné správ o nových revolučných materiáloch. Málokto sa však zamýšľa nad tým, aký obrovský výskumný aparát potrebujú vedci na to, aby vytvorili aspoň malé zlepšenie existujúcich technológií. Jedným zo základných javov, ktoré to ľuďom pomáhajú, je röntgenová difrakcia.
Elektromagnetické žiarenie
Najprv musíte vysvetliť, čo je elektromagnetické žiarenie. Akékoľvek pohybujúce sa nabité teleso vytvára okolo seba elektromagnetické pole. Tieto polia prenikajú všetkým okolo, dokonca ani vákuum hlbokého vesmíru z nich nie je oslobodené. Ak v takomto poli dochádza k periodickým poruchám, ktoré sa môžu šíriť priestorom, nazývajú sa elektromagnetické žiarenie. Na jej popis sa používajú pojmy ako vlnová dĺžka, frekvencia a jej energia. Čo je energia, je intuitívne a vlnová dĺžka je vzdialenosť medzi nimiidentické fázy (napríklad medzi dvoma susednými maximami). Čím vyššia je vlnová dĺžka (a teda aj frekvencia), tým nižšia je jeho energia. Pripomeňme, že tieto pojmy sú potrebné na to, aby sme stručne a výstižne opísali, čo je röntgenová difrakcia.
Elektromagnetické spektrum
Všetky rôzne elektromagnetické lúče sa hodia na špeciálnu stupnicu. V závislosti od vlnovej dĺžky rozlišujú (od najdlhšej po najkratšiu):
- rádiové vlny;
- terahertzové vlny;
- infračervené vlny;
- viditeľné vlny;
- ultrafialové vlny;
- Röntgenové vlny;
- gama žiarenie.
Žiarenie, ktoré nás zaujíma, má teda veľmi krátku vlnovú dĺžku a najvyššie energie (preto sa niekedy nazýva tvrdé). Preto sa približujeme k popisu toho, čo je röntgenová difrakcia.
Pôvod röntgenových lúčov
Čím vyššia je energia žiarenia, tým ťažšie je získať ju umelo. Po zapálení dostane človek veľa infračerveného žiarenia, pretože práve ono prenáša teplo. Aby však došlo k difrakcii röntgenových lúčov priestorovými štruktúrami, je potrebné vynaložiť veľké úsilie. Takže tento druh elektromagnetického žiarenia sa uvoľňuje, keď je elektrón vyrazený z obalu atómu, ktorý je blízko jadra. Elektróny umiestnené vyššie majú tendenciu vyplniť výslednú dieru, ich prechody a dať röntgenové fotóny. Taktiež pri prudkom spomalení nabitých častíc s hmotnosťou (napr.elektróny), vznikajú tieto vysokoenergetické lúče. Difrakcia röntgenových lúčov na kryštálovej mriežke je teda sprevádzaná výdajom pomerne veľkého množstva energie.
V priemyselnom meradle sa toto žiarenie získava takto:
- Katóda vyžaruje vysokoenergetický elektrón.
- Elektrón sa zrazí s materiálom anódy.
- Elektrón sa prudko spomalí (pri vyžarovaní röntgenového žiarenia).
- V inom prípade spomaľujúca častica vyrazí elektrón z nízkej obežnej dráhy atómu z materiálu anódy, čo tiež generuje röntgenové žiarenie.
Tiež je potrebné pochopiť, že ako každé iné elektromagnetické žiarenie, aj röntgenové žiarenie má svoje vlastné spektrum. Toto žiarenie samotné sa používa pomerne široko. Každý vie, že zlomená kosť alebo hmota v pľúcach sa hľadá pomocou röntgenových lúčov.
Štruktúra kryštalickej látky
Teraz sa priblížime k tomu, čo je metóda röntgenovej difrakcie. K tomu je potrebné vysvetliť, ako je usporiadané pevné teleso. Vo vede sa pevné teleso nazýva akákoľvek látka v kryštalickom stave. Drevo, hlina či sklo sú pevné, no chýba im to hlavné: periodická štruktúra. Ale kryštály majú túto úžasnú vlastnosť. Už samotný názov tohto javu obsahuje jeho podstatu. Najprv musíte pochopiť, že atómy v kryštáli sú pevne fixované. Väzby medzi nimi majú určitý stupeň elasticity, ale sú príliš silné na to, aby sa vo vnútri mohli pohybovať atómy.mriežky. Takéto epizódy sú možné, ale s veľmi silným vonkajším vplyvom. Napríklad, ak je kovový kryštál ohnutý, vytvárajú sa v ňom bodové defekty rôzneho typu: na niektorých miestach atóm opustí svoje miesto a vytvorí voľné miesto, na iných sa posunie do nesprávnych polôh a vytvorí intersticiálny defekt. V mieste ohybu kryštál stráca svoju štíhlu kryštalickú štruktúru, stáva sa veľmi defektným, uvoľneným. Preto je lepšie nepoužívať kancelársku sponku, ktorá bola raz neohnutá, pretože kov stratil svoje vlastnosti.
Ak sú atómy pevne fixované, už nemôžu byť navzájom náhodne usporiadané, ako je to v kvapalinách. Musia sa zorganizovať tak, aby minimalizovali energiu ich interakcie. Atómy sa teda zoradia do mriežky. V každej mriežke je minimálny súbor atómov usporiadaných zvláštnym spôsobom v priestore - to je elementárna bunka kryštálu. Ak ho vysielame úplne, to znamená, že skombinujeme okraje navzájom posunutím v ľubovoľnom smere, dostaneme celý kryštál. Je však potrebné pripomenúť, že ide o model. Každý skutočný kryštál má chyby a je takmer nemožné dosiahnuť absolútne presný preklad. Moderné kremíkové pamäťové bunky sú blízko ideálnym kryštálom. Ich získanie si však vyžaduje neskutočné množstvo energie a iných zdrojov. V laboratóriu vedci získavajú dokonalé štruktúry rôzneho druhu, ale náklady na ich vytvorenie sú spravidla príliš vysoké. Ale budeme predpokladať, že všetky kryštály sú ideálne: v akomkoľveksmer, rovnaké atómy budú umiestnené v rovnakých vzdialenostiach od seba. Táto štruktúra sa nazýva kryštálová mriežka.
Štúdium kryštálovej štruktúry
Vďaka tejto skutočnosti je možná difrakcia röntgenového žiarenia na kryštáloch. Periodická štruktúra kryštálov v nich vytvára určité roviny, v ktorých je viac atómov ako v iných smeroch. Niekedy sú tieto roviny nastavené symetriou kryštálovej mriežky, niekedy vzájomným usporiadaním atómov. Každé lietadlo má priradené svoje vlastné označenie. Vzdialenosti medzi rovinami sú veľmi malé: rádovo niekoľko angstromov (pripomeňme, angstrom je 10-10 metra alebo 0,1 nanometra).
V každom skutočnom kryštáli, dokonca aj vo veľmi malom, je však veľa rovín rovnakého smeru. Röntgenová difrakcia ako metóda využíva túto skutočnosť: všetky vlny, ktoré zmenili smer v rovinách rovnakého smeru, sa spočítajú, čo dáva na výstupe celkom jasný signál. Takže vedci môžu pochopiť, v ktorých smeroch sú tieto roviny umiestnené vo vnútri kryštálu, a posúdiť vnútornú štruktúru kryštálovej štruktúry. Samotné tieto údaje však nestačia. Okrem uhla sklonu musíte poznať aj vzdialenosť medzi rovinami. Bez toho môžete získať tisíce rôznych modelov štruktúry, ale nepoznáte presnú odpoveď. O tom, ako sa vedci dozvedia o vzdialenosti medzi lietadlami, sa bude diskutovať nižšie.
Difrakčný jav
Už sme fyzikálne zdôvodnili, čo je röntgenová difrakcia na priestorovej mriežke kryštálov. Podstatu sme si však ešte nevysvetlilidifrakčné javy. Difrakcia je teda zaoblenie prekážok vlnami (vrátane elektromagnetických). Zdá sa, že tento jav je porušením zákona lineárnej optiky, ale nie je. Úzko súvisí s interferenciou a vlnovými vlastnosťami napríklad fotónov. Ak je v ceste svetlu prekážka, môžu sa fotóny v dôsledku difrakcie „pozerať“za roh. Ako ďaleko sa svetlo šíri od priamky závisí od veľkosti prekážky. Čím menšia je prekážka, tým kratšia by mala byť dĺžka elektromagnetickej vlny. To je dôvod, prečo sa röntgenová difrakcia na monokryštáloch vykonáva pomocou takých krátkych vĺn: vzdialenosť medzi rovinami je veľmi malá, optické fotóny sa medzi nimi jednoducho „neplazú“, ale budú sa iba odrážať od povrchu.
Takýto pojem je pravdivý, no v modernej vede je považovaný za príliš úzky. Pre rozšírenie jej definície, ako aj pre všeobecnú erudíciu uvádzame metódy na prejav vlnovej difrakcie.
- Zmena priestorovej štruktúry vĺn. Napríklad rozšírenie uhla šírenia vlnového lúča, vychýlenie vlny alebo série vĺn v niektorom preferovanom smere. Práve do tejto triedy javov patrí ohýbanie vĺn okolo prekážok.
- Rozklad vĺn na spektrum.
- Zmena polarizácie vĺn.
- Transformácia fázovej štruktúry vĺn.
Fenomén difrakcie je spolu s interferenciou zodpovedný za to, že keď je lúč svetla nasmerovaný do úzkej štrbiny za ním, vidíme nie jeden, ale hneď niekoľkosvetelné maximá. Čím ďalej je maximum od stredu slotu, tým vyššie je jeho poradie. Navyše, pri správnom nastavení experimentu sa tieň z obyčajnej šijacej ihly (samozrejme tenkej) rozdelí na niekoľko pruhov a presne za ihlou sa pozoruje svetelné maximum a nie minimum.
Wulf-Bragg vzorec
Vyššie sme už povedali, že konečný signál je súčet všetkých röntgenových fotónov, ktoré sa odrazia od rovín s rovnakým sklonom vo vnútri kryštálu. Ale jeden dôležitý vzťah vám umožňuje presne vypočítať štruktúru. Bez nej by bola röntgenová difrakcia zbytočná. Wulf-Braggov vzorec vyzerá takto: 2dsinƟ=nλ. Tu d je vzdialenosť medzi rovinami s rovnakým uhlom sklonu, θ je uhol pohľadu (Braggov uhol) alebo uhol dopadu na rovinu, n je rád difrakčného maxima, λ je vlnová dĺžka. Keďže je vopred známe, aké röntgenové spektrum sa používa na získanie údajov a pod akým uhlom toto žiarenie dopadá, tento vzorec nám umožňuje vypočítať hodnotu d. O niečo vyššie sme už povedali, že bez týchto informácií nie je možné presne získať štruktúru látky.
Moderná aplikácia röntgenovej difrakcie
Vyvstáva otázka: v akých prípadoch je táto analýza potrebná, či už vedci nepreskúmali všetko vo svete štruktúry a či ľudia pri získavaní zásadne nových látok nepredpokladajú, aký výsledok ich čaká ? Existujú štyri odpovede.
- Áno, spoznali sme našu planétu celkom dobre. Ale každý rok sa nájdu nové minerály. Niekedy je ich štruktúra rovnomernáhádam bez röntgenových lúčov to nebude fungovať.
- Mnohí vedci sa snažia zlepšiť vlastnosti už existujúcich materiálov. Tieto látky podliehajú rôznym druhom spracovania (tlak, teplota, lasery atď.). Niekedy sú prvky pridané alebo odstránené z ich štruktúry. Röntgenová difrakcia na kryštáloch pomôže pochopiť, aké vnútorné preskupenia nastali v tomto prípade.
- Pre niektoré aplikácie (napr. aktívne médiá, lasery, pamäťové karty, optické prvky sledovacích systémov) musia byť kryštály veľmi presne spárované. Preto sa ich štruktúra kontroluje pomocou tejto metódy.
- Röntgenová difrakcia je jediný spôsob, ako zistiť, koľko a ktoré fázy sa získali počas syntézy vo viaczložkových systémoch. Ako príklad takýchto systémov môžu slúžiť keramické prvky modernej techniky. Prítomnosť nežiaducich fáz môže viesť k vážnym následkom.
Prieskum vesmíru
Mnoho ľudí sa pýta: „Prečo potrebujeme obrovské observatóriá na obežnej dráhe Zeme, prečo potrebujeme rover, keď ľudstvo ešte nevyriešilo problémy chudoby a vojny?“
Každý má svoje dôvody pre a proti, no je jasné, že ľudstvo musí mať sen.
Pri pohľade na hviezdy teda dnes môžeme s istotou povedať: každým dňom o nich vieme viac a viac.
Röntgenové lúče z procesov prebiehajúcich vo vesmíre nedosahujú povrch našej planéty, sú absorbované atmosférou. Ale táto časťElektromagnetické spektrum nesie množstvo údajov o vysokoenergetických javoch. Preto musia byť prístroje, ktoré študujú röntgenové lúče, vynesené zo Zeme na obežnú dráhu. V súčasnosti existujúce stanice študujú tieto objekty:
- pozostatky po výbuchoch supernov;
- centra galaxií;
- neutrónové hviezdy;
- čierne diery;
- zrážky masívnych objektov (galaxie, skupiny galaxií).
Prekvapivo, podľa rôznych projektov je prístup k týmto staniciam poskytovaný študentom a dokonca aj školákom. Študujú röntgenové lúče prichádzajúce z hlbokého vesmíru: predmetom ich záujmu sa stáva difrakcia, interferencia, spektrum. A niektorí veľmi mladí používatelia týchto vesmírnych observatórií robia objavy. Precízny čitateľ môže, samozrejme, namietať, že má čas pozrieť si obrázky vo vysokom rozlíšení a všímať si jemné detaily. A samozrejme, dôležitosť objavov spravidla chápu iba seriózni astronómovia. Ale takéto prípady inšpirujú mladých ľudí, aby zasvätili svoj život prieskumu vesmíru. A tento cieľ sa oplatí sledovať.
Výsledky Wilhelma Conrada Roentgena teda otvorili prístup k hviezdnym znalostiam a schopnosti dobývať iné planéty.
