Aquest article conté una descripció de coses com ara la difracció de raigs X. La base física d'aquest fenomen i les seves aplicacions s'expliquen aquí.
Tecnologies per crear nous materials
La innovació, la nanotecnologia és la tendència del món modern. La notícia està plena de notícies de nous materials revolucionaris. Però poca gent pensa en el gran aparell de recerca que necessiten els científics per crear almenys una petita millora en les tecnologies existents. Un dels fenòmens fonamentals que ajuden les persones a fer-ho és la difracció de raigs X.
Radiació electromagnètica
Primer has d'explicar què és la radiació electromagnètica. Qualsevol cos carregat en moviment genera un camp electromagnètic al seu voltant. Aquests camps impregnen tot al voltant, fins i tot el buit de l'espai profund no està lliure d'ells. Si en aquest camp hi ha pertorbacions periòdiques que es poden propagar a l'espai, s'anomenen radiació electromagnètica. Per descriure-ho s'utilitzen conceptes com la longitud d'ona, la freqüència i la seva energia. El que és energia és intuïtiu i la longitud d'ona és la distància entre ellesfases idèntiques (per exemple, entre dos màxims adjacents). Com més gran sigui la longitud d'ona (i, en conseqüència, la freqüència), menor serà la seva energia. Recordeu que aquests conceptes són necessaris per descriure què és la difracció de raigs X de manera concisa i sucinta.
Espectre electromagnètic
Tota la varietat de raigs electromagnètics s'ajusta a una escala especial. Segons la longitud d'ona, distingeixen (de la més llarga a la més curta):
- ones de ràdio;
- ones de terahertz;
- ones infraroges;
- ones visibles;
- ones ultraviolada;
- ones de raigs X;
- radiació gamma.
Així, la radiació que ens interessa té una longitud d'ona molt curta i les energies més altes (per això de vegades s'anomena dura). Per tant, estem cada cop més a prop de descriure què és la difracció de raigs X.
L'origen dels raigs X
Com més gran sigui l'energia de radiació, més difícil serà obtenir-la artificialment. Després d'haver fet un foc, una persona rep molta radiació infraroja, perquè és la que transfereix calor. Però perquè es produeixi la difracció de raigs X per estructures espacials, cal fer un gran esforç. Per tant, aquest tipus de radiació electromagnètica s'allibera quan un electró surt de la capa d'un àtom, que està a prop del nucli. Els electrons situats a d alt tendeixen a omplir el forat resultant, les seves transicions i donar fotons de raigs X. També, durant la desacceleració brusca de partícules carregades amb massa (per exemple,electrons), es produeixen aquests feixos d' alta energia. Així, la difracció dels raigs X en una xarxa cristal·lina va acompanyada de la despesa d'una quantitat força gran d'energia.
A escala industrial, aquesta radiació s'obté de la següent manera:
- El càtode emet un electró d' alta energia.
- L'electró xoca amb el material de l'ànode.
- L'electró es desaccelera bruscament (mentre emet raigs X).
- En un altre cas, la partícula en desacceleració expulsa un electró de l'òrbita baixa de l'àtom del material de l'ànode, que també genera raigs X.
També cal entendre que, com qualsevol altra radiació electromagnètica, els raigs X tenen el seu propi espectre. Aquesta radiació en si s'utilitza força àmpliament. Tothom sap que amb l'ajuda de raigs X es busca un os trencat o una massa als pulmons.
Estructura d'una substància cristal·lina
Ara ens apropem a què és el mètode de difracció de raigs X. Per fer-ho, cal explicar com està disposat un cos sòlid. En ciència, un cos sòlid s'anomena qualsevol substància en estat cristal·lí. La fusta, l'argila o el vidre són sòlids, però els manca el principal: una estructura periòdica. Però els cristalls tenen aquesta propietat increïble. El mateix nom d'aquest fenomen conté la seva essència. Primer cal entendre que els àtoms del cristall estan fixats rígidament. Els enllaços entre ells tenen un cert grau d'elasticitat, però són massa forts perquè els àtoms es moguin per dins.reixes. Aquests episodis són possibles, però amb una influència externa molt forta. Per exemple, si un cristall metàl·lic es doblega, s'hi formen defectes puntuals de diversos tipus: en alguns llocs, l'àtom deixa el seu lloc, formant una vacant, en altres, es mou a les posicions incorrectes, formant un defecte intersticial. Al lloc de la corba, el cristall perd la seva estructura cristal·lina esvelta, es torna molt defectuós, solt. Per tant, és millor no utilitzar un clip de paper que no s'hagi doblat una vegada, ja que el metall ha perdut les seves propietats.
Si els àtoms estan fixats rígidament, ja no es poden disposar aleatòriament entre si, com en els líquids. S'han d'organitzar de manera que es minimitzi l'energia de la seva interacció. Així, els àtoms s'alineen en una xarxa. A cada xarxa hi ha un conjunt mínim d'àtoms disposats d'una manera especial a l'espai: aquesta és la cèl·lula elemental del cristall. Si l'emetem completament, és a dir, combinem les vores entre si, desplaçant-nos en qualsevol direcció, obtindrem tot el cristall. No obstant això, val la pena recordar que aquest és un model. Qualsevol cristall real té defectes i és gairebé impossible aconseguir una traducció absolutament precisa. Les cèl·lules de memòria de silici modernes estan a prop dels cristalls ideals. Tanmateix, obtenir-los requereix quantitats increïbles d'energia i altres recursos. Al laboratori, els científics obtenen estructures perfectes de diversos tipus, però, per regla general, els costos de la seva creació són massa elevats. Però assumirem que tots els cristalls són ideals: en qualsevoldirecció, els mateixos àtoms estaran situats a les mateixes distàncies entre ells. Aquesta estructura s'anomena gelosia cristal·lina.
Estudi de l'estructura cristal·lina
És a causa d'aquest fet que és possible la difracció de raigs X sobre els cristalls. L'estructura periòdica dels cristalls crea certs plans en ells, en els quals hi ha més àtoms que en altres direccions. De vegades, aquests plans estan establerts per la simetria de la xarxa cristal·lina, de vegades per la disposició mútua dels àtoms. A cada avió se li assigna la seva pròpia designació. Les distàncies entre els avions són molt petites: de l'ordre de diversos angstroms (recordem, un angstrom és de 10-10 metre o 0,1 nanòmetre).
No obstant això, hi ha molts plans de la mateixa direcció en qualsevol cristall real, fins i tot un de molt petit. La difracció de raigs X com a mètode aprofita aquest fet: totes les ones que han canviat de direcció en plans de la mateixa direcció es resumeixen, donant un senyal força clar a la sortida. Així, els científics poden entendre en quines direccions es troben aquests plans dins del cristall i jutjar l'estructura interna de l'estructura del cristall. Tanmateix, aquestes dades per si soles no són suficients. A més de l'angle d'inclinació, també cal conèixer la distància entre els plans. Sense això, podeu obtenir milers de models diferents de l'estructura, però no coneixeu la resposta exacta. A continuació es parlarà de com aprenen els científics sobre la distància entre els avions.
Fenòmen de difracció
Ja hem donat una justificació física de què és la difracció de raigs X a la xarxa espacial dels cristalls. Tanmateix, encara no n'hem explicat l'essènciafenòmens de difracció. Per tant, la difracció és l'arrodoniment d'obstacles per ones (incloses les electromagnètiques). Aquest fenomen sembla ser una violació de la llei de l'òptica lineal, però no ho és. Està estretament relacionat amb la interferència i les propietats d'ona de, per exemple, els fotons. Si hi ha un obstacle en el camí de la llum, a causa de la difracció, els fotons poden "mirar" al voltant de la cantonada. La distància que recorre la direcció de la llum des d'una línia recta depèn de la mida de l'obstacle. Com més petit sigui l'obstacle, més curta hauria de ser la longitud d'ona electromagnètica. És per això que la difracció de raigs X sobre cristalls simples es porta a terme amb ones tan curtes: la distància entre els plans és molt petita, els fotons òptics simplement no "arrossegaran" entre ells, sinó que només es reflectiran des de la superfície..
Aquest concepte és cert, però en la ciència moderna es considera massa estret. Per ampliar la seva definició, així com per a l'erudició general, presentem mètodes per a la manifestació de la difracció d'ones.
- Canvi de l'estructura espacial de les ones. Per exemple, l'expansió de l'angle de propagació d'un feix d'ona, la desviació d'una ona o una sèrie d'ones en alguna direcció preferida. És a aquesta classe de fenòmens als quals pertany la flexió de les ones al voltant dels obstacles.
- Descomposició d'ones en un espectre.
- Canvi en la polarització de les ones.
- Transformació de l'estructura de fase de les ones.
El fenomen de la difracció, juntament amb la interferència, és responsable del fet que quan un feix de llum es dirigeix a una escletxa estreta darrere d'ell, no veiem un, sinó diversosmàxims de llum. Com més lluny estigui el màxim del centre de la ranura, més gran serà el seu ordre. A més, amb la configuració correcta de l'experiment, l'ombra d'una agulla de cosir normal (per descomptat, prima) es divideix en diverses ratlles i la llum màxima s'observa exactament darrere de l'agulla, i no el mínim.
fórmula de Wulf-Bragg
Ja hem dit més amunt que el senyal final és la suma de tots els fotons de raigs X que es reflecteixen des de plans amb la mateixa inclinació dins del cristall. Però una relació important us permet calcular amb precisió l'estructura. Sense ell, la difracció de raigs X seria inútil. La fórmula de Wulf-Bragg té aquest aspecte: 2dsinƟ=nλ. Aquí d és la distància entre plans amb el mateix angle d'inclinació, θ és l'angle de mira (angle de Bragg) o l'angle d'incidència sobre el pla, n és l'ordre del màxim de difracció, λ és la longitud d'ona. Com que es coneix per endavant quin espectre de raigs X s'utilitza per obtenir dades i en quin angle cau aquesta radiació, aquesta fórmula ens permet calcular el valor de d. Ja hem dit una mica més amunt que sense aquesta informació és impossible obtenir amb precisió l'estructura d'una substància.
Aplicació moderna de la difracció de raigs X
Sorgeix la pregunta: en quins casos és necessària aquesta anàlisi, no els científics ja han explorat tot el món de l'estructura, i la gent, a l'hora d'obtenir substàncies fonamentalment noves, no assumeix quin tipus de resultat els espera? ? Hi ha quatre respostes.
- Sí, hem conegut bastant bé el nostre planeta. Però cada any es troben nous minerals. De vegades, la seva estructura és uniformeSuposo que sense raigs X no funcionarà.
- Molts científics estan intentant millorar les propietats dels materials ja existents. Aquestes substàncies estan sotmeses a diferents tipus de processament (pressió, temperatura, làsers, etc.). De vegades s'afegeixen o s'eliminen elements a la seva estructura. La difracció de raigs X sobre cristalls ajudarà a entendre quins reordenaments interns s'han produït en aquest cas.
- Per a algunes aplicacions (per exemple, suports actius, làsers, targetes de memòria, elements òptics de sistemes de vigilància), els cristalls s'han de fer coincidir amb molta precisió. Per tant, la seva estructura es comprova amb aquest mètode.
- La difracció de raigs X és l'única manera d'esbrinar quantes i quines fases s'han obtingut durant la síntesi en sistemes multicomponent. Els elements ceràmics de la tecnologia moderna poden servir com a exemple d'aquests sistemes. La presència de fases no desitjades pot tenir conseqüències greus.
Exploració espacial
Molta gent es pregunta: "Per què necessitem observatoris enormes a l'òrbita de la Terra, per què necessitem un rover si la humanitat encara no ha resolt els problemes de la pobresa i la guerra?"
Cada persona té els seus motius a favor i en contra, però és evident que la humanitat ha de tenir un somni.
Per tant, mirant les estrelles, avui podem dir amb confiança: cada dia en sabem més i més.
Els raigs X dels processos que tenen lloc a l'espai no arriben a la superfície del nostre planeta, són absorbits per l'atmosfera. Però aquesta partL'espectre electromagnètic porta moltes dades sobre fenòmens d' alta energia. Per tant, els instruments que estudien els raigs X s'han de treure de la Terra, a l'òrbita. Les estacions existents estan estudiant els objectes següents:
- restes d'explosions de supernova;
- centres de galàxies;
- estrelles de neutrons;
- forats negres;
- col·lisions d'objectes massius (galàxies, grups de galàxies).
Sorprenentment, segons diversos projectes, l'accés a aquestes estacions es facilita als estudiants i fins i tot als escolars. Estudien els raigs X procedents de l'espai profund: la difracció, la interferència, l'espectre esdevenen el tema del seu interès. I alguns usuaris molt joves d'aquests observatoris espacials estan fent descobriments. Un lector meticulós pot, per descomptat, objectar que només té temps per mirar imatges d' alta resolució i observar detalls subtils. I, per descomptat, la importància dels descobriments, per regla general, només l'entenen els astrònoms seriosos. Però aquests casos inspiren els joves a dedicar la seva vida a l'exploració espacial. I val la pena perseguir aquest objectiu.
Així, els èxits de Wilhelm Conrad Roentgen van obrir l'accés al coneixement estel·lar i la capacitat de conquerir altres planetes.
