Bu məqalə rentgen şüalarının difraksiyası kimi bir şeyin təsvirini ehtiva edir. Bu fenomenin fiziki əsasları və tətbiqləri burada izah olunur.
Yeni materialların yaradılması texnologiyaları
İnnovasiya, nanotexnologiya müasir dünyanın trendidir. Xəbərlər yeni inqilabi materialların xəbərləri ilə doludur. Ancaq az adam düşünür ki, elm adamları mövcud texnologiyalarda ən azı kiçik bir təkmilləşdirmə yaratmaq üçün nəhəng tədqiqat aparatına ehtiyac duyurlar. İnsanlara bunu etməyə kömək edən əsas hadisələrdən biri rentgen şüalarının difraksiyasıdır.
Elektromaqnit şüalanma
Əvvəlcə elektromaqnit şüalanmanın nə olduğunu izah etməlisiniz. Hər hansı bir hərəkət edən yüklü cisim öz ətrafında elektromaqnit sahəsi yaradır. Bu sahələr ətrafdakı hər şeyi əhatə edir, hətta dərin kosmosun vakuumu belə onlardan azad deyil. Əgər belə bir sahədə kosmosda yayıla bilən dövri pozulmalar varsa, onlara elektromaqnit şüalanması deyilir. Onu təsvir etmək üçün dalğa uzunluğu, tezlik və onun enerjisi kimi anlayışlardan istifadə olunur. Enerji nəyin intuitivdir, dalğa uzunluğu isə arasındakı məsafədireyni fazalar (məsələn, iki bitişik maksimum arasında). Dalğa uzunluğu nə qədər yüksəkdirsə (və müvafiq olaraq tezlik), onun enerjisi bir o qədər aşağı olur. Xatırladaq ki, bu anlayışlar rentgen şüalarının difraksiyasının nə olduğunu qısa və lakonik şəkildə təsvir etmək üçün lazımdır.
Elektromaqnit spektri
Bütün müxtəlif elektromaqnit şüaları xüsusi miqyasda uyğun gəlir. Dalğa uzunluğundan asılı olaraq (ən uzundan ən qısaya doğru) fərqləndirirlər:
- radio dalğaları;
- terahertz dalğaları;
- infraqırmızı dalğalar;
- görünən dalğalar;
- ultrabənövşəyi dalğalar;
- Rentgen dalğaları;
- qamma şüalanması.
Beləliklə, bizi maraqlandıran şüalanma çox qısa dalğa uzunluğuna və ən yüksək enerjilərə malikdir (buna görə də onu bəzən sərt adlandırırlar). Beləliklə, biz rentgen şüalarının difraksiyasının nə olduğunu izah etməyə yaxınlaşırıq.
Rentgen şüalarının mənşəyi
Radiasiya enerjisi nə qədər yüksək olarsa, onu süni yolla əldə etmək bir o qədər çətindir. Yanğından sonra bir insan çoxlu infraqırmızı radiasiya alır, çünki istilik ötürəndir. Lakin rentgen şüalarının fəza strukturları tərəfindən difraksiyasının baş verməsi üçün çox səy göstərmək lazımdır. Belə ki, nüvəyə yaxın olan atomun qabığından bir elektron çıxarıldıqda bu cür elektromaqnit şüalanma buraxılır. Yuxarıda yerləşən elektronlar meydana gələn dəliyi, onların keçidlərini doldurmağa və rentgen fotonlarını verməyə meyllidirlər. Həmçinin, kütləsi olan yüklü hissəciklərin kəskin yavaşlaması zamanı (məsələn,elektronlar), bu yüksək enerjili şüalar əmələ gəlir. Beləliklə, rentgen şüalarının kristal qəfəsdə difraksiyası kifayət qədər böyük miqdarda enerjinin xərclənməsi ilə müşayiət olunur.
Sənaye miqyasında bu şüalanma aşağıdakı kimi alınır:
- Katod yüksək enerjili elektron yayır.
- Elektron anodun materialı ilə toqquşur.
- Elektron kəskin şəkildə yavaşlayır (rentgen şüaları yayarkən).
- Başqa halda, yavaşlayan hissəcik atomun aşağı orbitindən elektronu anod materialından çıxarır və bu da rentgen şüaları yaradır.
Həmçinin başa düşmək lazımdır ki, hər hansı digər elektromaqnit şüalanma kimi, rentgen şüalarının da öz spektri var. Bu radiasiyanın özü kifayət qədər geniş istifadə olunur. Hər kəs bilir ki, sınmış sümük və ya ağciyərlərdə kütlə rentgen şüalarının köməyi ilə axtarılır.
Kristal maddənin quruluşu
İndi rentgen şüalarının difraksiya metodunun nə olduğuna yaxınlaşırıq. Bunun üçün bərk cismin necə düzüldüyünü izah etmək lazımdır. Elmdə bərk cismə kristal vəziyyətdə olan istənilən maddə deyilir. Taxta, gil və ya şüşə möhkəmdir, lakin əsas şey yoxdur: dövri bir quruluş. Lakin kristalların bu heyrətamiz xüsusiyyəti var. Bu fenomenin adının özü onun mahiyyətini ehtiva edir. Əvvəlcə kristaldakı atomların sərt şəkildə sabitləndiyini başa düşməlisiniz. Aralarındakı bağlar müəyyən dərəcədə elastikliyə malikdir, lakin atomların içəridə hərəkət etməsi üçün çox güclüdür.barmaqlıqlar. Belə epizodlar mümkündür, lakin çox güclü xarici təsirlə. Məsələn, metal kristal əyilirsə, onda müxtəlif növ nöqtə qüsurları əmələ gəlir: bəzi yerlərdə atom öz yerini tərk edərək boşluq yaradır, digərlərində isə yanlış mövqelərə keçir, interstisial qüsur əmələ gətirir. Bükülmə yerində kristal incə kristal quruluşunu itirir, çox qüsurlu, boş olur. Buna görə də, metal öz xüsusiyyətlərini itirdiyi üçün bir dəfə əyilmiş kağız klipindən istifadə etməmək daha yaxşıdır.
Atomlar sərt şəkildə sabitləşibsə, mayelərdə olduğu kimi onlar artıq bir-birinə nisbətən təsadüfi düzülə bilməzlər. Onlar qarşılıqlı əlaqənin enerjisini minimuma endirəcək şəkildə özlərini təşkil etməlidirlər. Beləliklə, atomlar qəfəsdə düzülür. Hər bir qəfəsdə kosmosda xüsusi bir şəkildə düzülmüş minimum atom dəsti var - bu, kristalın elementar hüceyrəsidir. Əgər biz onu tamamilə yayımlasaq, yəni kənarları bir-biri ilə birləşdirsək, istənilən istiqamətə dəyişsək, bütün kristalı alacağıq. Ancaq bunun bir model olduğunu xatırlamağa dəyər. Hər hansı bir real kristalın qüsurları var və tamamilə dəqiq tərcüməyə nail olmaq demək olar ki, mümkün deyil. Müasir silikon yaddaş hüceyrələri ideal kristallara yaxındır. Bununla belə, onları əldə etmək inanılmaz miqdarda enerji və digər resurslar tələb edir. Laboratoriyada elm adamları müxtəlif növ mükəmməl strukturlar əldə edirlər, lakin, bir qayda olaraq, onların yaradılması xərcləri çox yüksəkdir. Ancaq bütün kristalların ideal olduğunu güman edəcəyik: hər hansı birindəistiqamətdə eyni atomlar bir-birindən eyni məsafədə yerləşəcəklər. Bu quruluş kristal qəfəs adlanır.
Kristal strukturunun tədqiqi
Bununla əlaqədardır ki, kristallar üzərində rentgen şüalarının difraksiyası mümkündür. Kristalların dövri quruluşu onlarda digər istiqamətlərə nisbətən daha çox atom olan müəyyən müstəvilər yaradır. Bəzən bu müstəvilər kristal qəfəsin simmetriyası, bəzən də atomların qarşılıqlı düzülüşü ilə müəyyən edilir. Hər bir təyyarəyə öz təyinatı verilir. Təyyarələr arasındakı məsafələr çox kiçikdir: bir neçə angstrom sırasına görə (xatırlayın, anqstrom 10-10 metr və ya 0,1 nanometrdir).
Lakin istənilən real kristalda, hətta çox kiçik olsa belə, eyni istiqamətdə çoxlu təyyarələr var. X-şüalarının difraksiyası bir üsul olaraq bu faktdan istifadə edir: eyni istiqamətli təyyarələrdə istiqamətini dəyişən bütün dalğalar yekunlaşdırılaraq çıxışda kifayət qədər aydın siqnal verir. Beləliklə, elm adamları bu təyyarələrin kristalın içərisində hansı istiqamətlərdə yerləşdiyini başa düşə və kristal quruluşun daxili quruluşunu mühakimə edə bilərlər. Ancaq bu məlumatlar təkcə kifayət deyil. Meyil bucağına əlavə olaraq, təyyarələr arasındakı məsafəni də bilmək lazımdır. Bu olmadan, strukturun minlərlə müxtəlif modellərini əldə edə bilərsiniz, lakin dəqiq cavabı bilmirsiniz. Alimlərin təyyarələr arasındakı məsafəni necə öyrəndikləri aşağıda müzakirə olunacaq.
Difraksiya fenomeni
Kristalların fəza qəfəsindəki rentgen şüalarının difraksiyasının nə olduğunu artıq fiziki əsaslandırmışıq. Lakin biz hələ mahiyyətini açıqlamamışıqdifraksiya hadisələri. Beləliklə, difraksiya maneələrin dalğalarla (elektromaqnit olanlar da daxil olmaqla) yuvarlaqlaşdırılmasıdır. Bu fenomen xətti optika qanununun pozulması kimi görünür, lakin belə deyil. O, məsələn, fotonların müdaxilə və dalğa xassələri ilə sıx bağlıdır. İşığın yolunda bir maneə varsa, difraksiyaya görə fotonlar küncə "baxa" bilər. İşığın istiqamətinin düz xəttdən nə qədər uzağa getməsi maneənin ölçüsündən asılıdır. Maneə nə qədər kiçik olsa, elektromaqnit dalğasının uzunluğu da bir o qədər qısa olmalıdır. Buna görə də monokristallarda rentgen şüalarının difraksiyası belə qısa dalğalardan istifadə etməklə həyata keçirilir: təyyarələr arasındakı məsafə çox kiçikdir, optik fotonlar sadəcə olaraq onların arasında “sürünməyəcək”, ancaq səthdən əks olunacaq.
Belə bir anlayış doğrudur, lakin müasir elmdə çox dar hesab olunur. Onun tərifini genişləndirmək, eləcə də ümumi erudisiya üçün biz dalğa difraksiyasının təzahürü üçün üsulları təqdim edirik.
- Dalğaların məkan quruluşunun dəyişdirilməsi. Məsələn, dalğa şüasının yayılma bucağının genişlənməsi, dalğanın və ya bir sıra dalğaların hansısa üstünlük verilən istiqamətdə əyilməsi. Maneələr ətrafında dalğaların əyilməsi bu fenomenlər sinfinə aiddir.
- Dalğaların spektrdə parçalanması.
- Dalğa polarizasiyasında dəyişiklik.
- Dalğaların faza strukturunun çevrilməsi.
Müdaxilə ilə birlikdə difraksiya fenomeni ondan məsuldur ki, işıq şüası onun arxasındakı dar bir yarığa yönəldildiyində biz bir deyil, bir neçəsini görürük.yüngül maksimum. Maksimum yuvanın ortasından nə qədər uzaqdırsa, onun sırası bir o qədər yüksəkdir. Bundan əlavə, eksperimentin düzgün qurulması ilə adi tikiş iynəsindən (əlbəttə ki, nazik) kölgə bir neçə zolağa bölünür və işıq maksimumu minimum deyil, iynənin tam arxasında müşahidə olunur.
Wulf-Bragg formula
Yuxarıda dedik ki, yekun siqnal kristalın daxilində eyni meylli müstəvilərdən əks olunan bütün rentgen fotonlarının cəmidir. Ancaq bir vacib əlaqə strukturu dəqiq hesablamağa imkan verir. Onsuz rentgen şüalarının difraksiyası faydasız olardı. Wulf-Bragg düsturu belə görünür: 2dsinƟ=nλ. Burada d eyni maillik bucağı olan müstəvilər arasındakı məsafə, θ baxış bucağı (Breq bucağı) və ya müstəvidə düşmə bucağı, n difraksiya maksimumunun sırası, λ dalğa uzunluğudur. Məlumat əldə etmək üçün hansı rentgen spektrindən istifadə edildiyi və bu şüalanmanın hansı bucaq altında düşdüyü əvvəlcədən məlum olduğundan, bu düstur d-nin qiymətini hesablamağa imkan verir. Artıq bir az yuxarıda dedik ki, bu məlumat olmadan maddənin strukturunu dəqiq əldə etmək mümkün deyil.
Rentgen şüalarının difraksiyasının müasir tətbiqi
Sual yaranır: hansı hallarda bu təhlilə ehtiyac var, məgər alimlər struktur aləmində hər şeyi tədqiq etməyiblərmi və insanlar prinsipial olaraq yeni maddələr əldə edərkən onları hansı nəticənin gözlədiyini düşünmürlərmi? ? Dörd cavab var.
- Bəli, biz planetimizi yaxşı tanıdıq. Ancaq hər il yeni minerallar tapılır. Bəzən onların strukturu bərabər olurrentgen şüaları olmadan işləməyəcək.
- Bir çox elm adamları artıq mövcud materialların xüsusiyyətlərini yaxşılaşdırmağa çalışır. Bu maddələr müxtəlif növ emallara (təzyiq, temperatur, lazer və s.) məruz qalır. Bəzən elementlər strukturlarına əlavə edilir və ya çıxarılır. Kristallar üzərində rentgen şüalarının difraksiyası bu halda hansı daxili nizamlanmaların baş verdiyini anlamağa kömək edəcək.
- Bəzi proqramlar üçün (məsələn, aktiv media, lazerlər, yaddaş kartları, müşahidə sistemlərinin optik elementləri) kristallar çox dəqiq uyğunlaşdırılmalıdır. Buna görə də onların strukturu bu üsulla yoxlanılır.
- Rentgen şüalarının difraksiyası çoxkomponentli sistemlərdə sintez zamanı neçə və hansı fazaların alındığını öyrənmək üçün yeganə yoldur. Müasir texnologiyanın keramika elementləri belə sistemlərə misal ola bilər. İstənməyən fazaların olması ciddi nəticələrə səbəb ola bilər.
Kosmosun kəşfiyyatı
Bir çox insanlar soruşur: "Niyə Yerin orbitində nəhəng rəsədxanalara ehtiyacımız var, bəşəriyyət hələ yoxsulluq və müharibə problemlərini həll etməyibsə, nə üçün bir rover lazımdır?"
Hər kəsin öz lehinə və əleyhinə səbəbləri var, lakin bəşəriyyətin bir arzusu olmalıdır.
Ona görə də, ulduzlara baxaraq, bu gün əminliklə deyə bilərik: biz onlar haqqında hər gün daha çox şey bilirik.
Kosmosda baş verən proseslərin rentgen şüaları planetimizin səthinə çatmır, atmosfer tərəfindən udulur. Amma bu hissəElektromaqnit spektri yüksək enerjili hadisələr haqqında çoxlu məlumat daşıyır. Odur ki, rentgen şüalarını öyrənən alətlər Yerdən orbitə çıxarılmalıdır. Hazırda mövcud stansiyalar aşağıdakı obyektləri öyrənir:
- fövqəlnova partlayışlarının qalıqları;
- qalaktikaların mərkəzləri;
- neytron ulduzları;
- qara dəliklər;
- kütləvi cisimlərin toqquşması (qalaktikalar, qalaktika qrupları).
Təəccüblüdür ki, müxtəlif layihələrə görə, bu stansiyalara giriş tələbələrin, hətta məktəblilərin də istifadəsinə verilir. Onlar dərin kosmosdan gələn rentgen şüalarını öyrənirlər: difraksiya, müdaxilə, spektr onların maraq mövzusuna çevrilir. Və bu kosmik rəsədxanaların bəzi çox gənc istifadəçiləri kəşflər edirlər. Diqqətli oxucu, əlbəttə ki, yüksək keyfiyyətli şəkillərə baxmaq və incə detallara diqqət yetirmək üçün vaxtının olduğuna etiraz edə bilər. Və təbii ki, kəşflərin əhəmiyyətini, bir qayda olaraq, yalnız ciddi astronomlar dərk edirlər. Amma belə hallar gəncləri həyatlarını kosmosun tədqiqinə həsr etməyə ruhlandırır. Və bu məqsədə nail olmağa dəyər.
Beləliklə, Vilhelm Konrad Rentgenin nailiyyətləri ulduz biliyinə və digər planetləri fəth etmək qabiliyyətinə çıxış açdı.
