Questo articolo contiene una descrizione di una cosa come la diffrazione dei raggi X. Le basi fisiche di questo fenomeno e le sue applicazioni sono spiegate qui.
Tecnologie per la creazione di nuovi materiali
Innovazione, la nanotecnologia è la tendenza del mondo moderno. La notizia è piena di notizie di nuovi materiali rivoluzionari. Ma poche persone pensano a ciò di cui gli scienziati hanno bisogno di un enorme apparato di ricerca per creare almeno un piccolo miglioramento nelle tecnologie esistenti. Uno dei fenomeni fondamentali che aiutano le persone a farlo è la diffrazione dei raggi X.
Radiazioni elettromagnetiche
Per prima cosa devi spiegare cos'è la radiazione elettromagnetica. Qualsiasi corpo carico in movimento genera un campo elettromagnetico attorno a sé. Questi campi pervadono tutto intorno, anche il vuoto dello spazio profondo non ne è esente. Se in un tale campo ci sono perturbazioni periodiche che possono propagarsi nello spazio, si parla di radiazione elettromagnetica. Per descriverlo vengono utilizzati concetti come lunghezza d'onda, frequenza e sua energia. Cos'è l'energia è intuitivo e la lunghezza d'onda è la distanza trafasi identiche (ad esempio, tra due massimi adiacenti). Maggiore è la lunghezza d'onda (e, di conseguenza, la frequenza), minore è la sua energia. Ricordiamo che questi concetti sono necessari per descrivere in modo conciso e succinto cos'è la diffrazione dei raggi X.
Spettro elettromagnetico
Tutte le varietà di raggi elettromagnetici si adattano a una scala speciale. A seconda della lunghezza d'onda, si distinguono (dalla più lunga alla più corta):
- onde radio;
- onde terahertz;
- onde infrarosse;
- onde visibili;
- onde ultraviolette;
- Onde a raggi X;
- radiazioni gamma.
Quindi, la radiazione a cui siamo interessati ha una lunghezza d'onda molto corta e le energie più alte (motivo per cui a volte viene chiamata dura). Pertanto, ci stiamo avvicinando alla descrizione di cosa sia la diffrazione dei raggi X.
L'origine dei raggi X
Più alta è l'energia della radiazione, più difficile è ottenerla artificialmente. Dopo aver acceso un incendio, una persona riceve molte radiazioni infrarosse, perché è quella che trasferisce il calore. Ma affinché avvenga la diffrazione dei raggi X da parte delle strutture spaziali, è necessario compiere molti sforzi. Quindi, questo tipo di radiazione elettromagnetica viene rilasciata quando un elettrone viene buttato fuori dal guscio di un atomo, che è vicino al nucleo. Gli elettroni situati sopra tendono a riempire il buco risultante, le loro transizioni e a fornire fotoni di raggi X. Inoltre, durante una forte decelerazione di particelle cariche con massa (ad esempio,elettroni), vengono prodotti questi fasci ad alta energia. Pertanto, la diffrazione dei raggi X su un reticolo cristallino è accompagnata dal dispendio di una quantità di energia abbastanza grande.
Su scala industriale, questa radiazione si ottiene come segue:
- Il catodo emette un elettrone ad alta energia.
- L'elettrone entra in collisione con il materiale dell'anodo.
- L'elettrone decelera bruscamente (mentre emette raggi X).
- In un altro caso, la particella in decelerazione fa uscire un elettrone dall'orbita bassa dell'atomo dal materiale dell'anodo, che genera anche raggi X.
Bisogna anche capire che, come ogni altra radiazione elettromagnetica, i raggi X hanno un proprio spettro. Questa stessa radiazione è usata abbastanza ampiamente. Tutti sanno che un osso rotto o una massa nei polmoni si cerca con l'aiuto dei raggi X.
Struttura di una sostanza cristallina
Ora ci avviciniamo al metodo di diffrazione dei raggi X. Per fare ciò, è necessario spiegare come è disposto un corpo solido. Nella scienza, un corpo solido è chiamato qualsiasi sostanza allo stato cristallino. Il legno, l'argilla o il vetro sono solidi, ma mancano della cosa principale: una struttura periodica. Ma i cristalli hanno questa straordinaria proprietà. Il nome stesso di questo fenomeno contiene la sua essenza. Per prima cosa devi capire che gli atomi nel cristallo sono fissati rigidamente. I legami tra di loro hanno un certo grado di elasticità, ma sono troppo forti perché gli atomi si muovano all'interno.grate. Tali episodi sono possibili, ma con un'influenza esterna molto forte. Ad esempio, se un cristallo di metallo viene piegato, si formano in esso difetti puntiformi di vario tipo: in alcuni punti l'atomo lascia il suo posto, formando un posto vacante, in altri, si sposta nelle posizioni sbagliate, formando un difetto interstiziale. Al punto della curva, il cristallo perde la sua snella struttura cristallina, diventa molto difettoso, allentato. Pertanto, è meglio non utilizzare una graffetta che è stata aperta una volta, poiché il metallo ha perso le sue proprietà.
Se gli atomi sono fissati rigidamente, non possono più essere disposti casualmente l'uno rispetto all' altro, come nei liquidi. Devono organizzarsi in modo da ridurre al minimo l'energia della loro interazione. Pertanto, gli atomi si allineano in un reticolo. In ogni reticolo c'è un insieme minimo di atomi disposti in modo speciale nello spazio: questa è la cella elementare del cristallo. Se lo trasmettiamo interamente, cioè combiniamo i bordi tra loro, spostandoci in qualsiasi direzione, otterremo l'intero cristallo. Tuttavia, vale la pena ricordare che questo è un modello. Qualsiasi vero cristallo ha dei difetti ed è quasi impossibile ottenere una traduzione assolutamente accurata. Le moderne celle di memoria al silicio sono vicine ai cristalli ideali. Tuttavia, ottenerli richiede incredibili quantità di energia e altre risorse. In laboratorio, gli scienziati ottengono strutture perfette di vario genere, ma, di regola, i costi della loro creazione sono troppo alti. Ma assumiamo che tutti i cristalli siano ideali: in qualsiasidirezione, gli stessi atomi si troveranno alla stessa distanza l'uno dall' altro. Questa struttura è chiamata reticolo cristallino.
Studio della struttura cristallina
È per questo che è possibile la diffrazione dei raggi X sui cristalli. La struttura periodica dei cristalli crea in essi determinati piani, in cui ci sono più atomi che in altre direzioni. A volte questi piani sono fissati dalla simmetria del reticolo cristallino, a volte dalla disposizione reciproca degli atomi. Ad ogni aereo è assegnata una propria designazione. Le distanze tra i piani sono molto piccole: nell'ordine di diversi angstrom (ricorda, un angstrom è 10-10 metri o 0,1 nanometri).
Tuttavia, ci sono molti piani della stessa direzione in ogni vero cristallo, anche molto piccolo. La diffrazione dei raggi X come metodo sfrutta questo fatto: tutte le onde che hanno cambiato direzione su piani della stessa direzione vengono sommate, dando un segnale abbastanza chiaro in uscita. Quindi gli scienziati possono capire in quali direzioni si trovano questi piani all'interno del cristallo e giudicare la struttura interna della struttura cristallina. Tuttavia, questi dati da soli non sono sufficienti. Oltre all'angolo di inclinazione, devi anche conoscere la distanza tra i piani. Senza questo, puoi ottenere migliaia di diversi modelli della struttura, ma non conoscere la risposta esatta. Il modo in cui gli scienziati apprendono la distanza tra i piani sarà discusso di seguito.
Fenomeno della diffrazione
Abbiamo già fornito una giustificazione fisica di cosa sia la diffrazione dei raggi X sul reticolo spaziale dei cristalli. Tuttavia, non abbiamo ancora spiegato l'essenzafenomeni di diffrazione. Quindi, la diffrazione è l'arrotondamento degli ostacoli da parte delle onde (comprese quelle elettromagnetiche). Questo fenomeno sembra essere una violazione della legge dell'ottica lineare, ma non lo è. È strettamente correlato all'interferenza e alle proprietà delle onde, ad esempio, dei fotoni. Se c'è un ostacolo sulla via della luce, a causa della diffrazione, i fotoni possono "guardare" dietro l'angolo. La distanza percorsa dalla direzione della luce da una linea retta dipende dalle dimensioni dell'ostacolo. Più piccolo è l'ostacolo, più corta dovrebbe essere la lunghezza dell'onda elettromagnetica. Ecco perché la diffrazione dei raggi X sui singoli cristalli viene eseguita utilizzando onde così corte: la distanza tra i piani è molto piccola, i fotoni ottici semplicemente non "strisceranno" tra di loro, ma saranno riflessi solo dalla superficie.
Un concetto del genere è vero, ma nella scienza moderna è considerato troppo ristretto. Per ampliare la sua definizione, oltre che per erudizione generale, presentiamo metodi per la manifestazione della diffrazione delle onde.
- Cambiare la struttura spaziale delle onde. Ad esempio, l'espansione dell'angolo di propagazione di un raggio d'onda, la deflessione di un'onda o una serie di onde in una direzione preferita. È a questa classe di fenomeni che appartiene la curvatura delle onde attorno agli ostacoli.
- Decomposizione delle onde in uno spettro.
- Cambiamento nella polarizzazione delle onde.
- Trasformazione della struttura di fase delle onde.
Il fenomeno della diffrazione, insieme all'interferenza, è responsabile del fatto che quando un raggio di luce è diretto verso una stretta fenditura dietro di esso, non ne vediamo uno, ma diversimassimi leggeri. Più il massimo è lontano dal centro dello slot, maggiore è il suo ordine. Inoltre, con la corretta impostazione dell'esperimento, l'ombra di un normale ago da cucito (ovviamente sottile) è divisa in più strisce e il massimo della luce viene osservato esattamente dietro l'ago e non il minimo.
Formula Wulf-Bragg
Abbiamo già detto sopra che il segnale finale è la somma di tutti i fotoni di raggi X che vengono riflessi da piani con la stessa inclinazione all'interno del cristallo. Ma una relazione importante ti consente di calcolare con precisione la struttura. Senza di essa, la diffrazione dei raggi X sarebbe inutile. La formula di Wulf-Bragg si presenta così: 2dsinƟ=nλ. Qui d è la distanza tra piani con lo stesso angolo di inclinazione, θ è l'angolo di striscio (angolo di Bragg), o l'angolo di incidenza sul piano, n è l'ordine del massimo di diffrazione, λ è la lunghezza d'onda. Poiché è noto in anticipo quale spettro di raggi X viene utilizzato per ottenere i dati e con quale angolo cade questa radiazione, questa formula ci consente di calcolare il valore di d. Abbiamo già detto un po' più in alto che senza queste informazioni è impossibile ottenere con precisione la struttura di una sostanza.
Applicazione moderna della diffrazione dei raggi X
Sorge la domanda: in quali casi è necessaria questa analisi, gli scienziati non hanno già esplorato tutto nel mondo della struttura e le persone, quando ottengono sostanze fondamentalmente nuove, non danno per scontato che tipo di risultato li attende ? Ci sono quattro risposte.
- Sì, abbiamo conosciuto abbastanza bene il nostro pianeta. Ma ogni anno si trovano nuovi minerali. A volte la loro struttura è uniformesupporre senza raggi X non funzionerà.
- Molti scienziati stanno cercando di migliorare le proprietà di materiali già esistenti. Queste sostanze sono sottoposte a vari tipi di lavorazione (pressione, temperatura, laser, ecc.). A volte gli elementi vengono aggiunti o rimossi dalla loro struttura. La diffrazione dei raggi X sui cristalli aiuterà a capire quali riarrangiamenti interni si sono verificati in questo caso.
- Per alcune applicazioni (ad esempio, supporti attivi, laser, schede di memoria, elementi ottici di sistemi di sorveglianza), i cristalli devono essere abbinati in modo molto preciso. Pertanto, la loro struttura viene verificata utilizzando questo metodo.
- La diffrazione dei raggi X è l'unico modo per scoprire quante e quali fasi sono state ottenute durante la sintesi in sistemi multicomponenti. Gli elementi in ceramica della tecnologia moderna possono servire da esempio di tali sistemi. La presenza di fasi indesiderate può portare a gravi conseguenze.
Esplorazione spaziale
Molte persone chiedono: "Perché abbiamo bisogno di enormi osservatori nell'orbita terrestre, perché abbiamo bisogno di un rover se l'umanità non ha ancora risolto i problemi della povertà e della guerra?"
Ognuno ha le proprie ragioni a favore e contro, ma è chiaro che l'umanità deve avere un sogno.
Quindi, guardando le stelle, oggi possiamo dire con sicurezza: ogni giorno ne sappiamo sempre di più.
I raggi X dei processi che avvengono nello spazio non raggiungono la superficie del nostro pianeta, sono assorbiti dall'atmosfera. Ma questa parteLo spettro elettromagnetico contiene molti dati sui fenomeni ad alta energia. Pertanto, gli strumenti che studiano i raggi X devono essere portati fuori dalla Terra, in orbita. Le stazioni attualmente esistenti stanno studiando i seguenti oggetti:
- resti di esplosioni di supernova;
- centri di galassie;
- stelle di neutroni;
- buchi neri;
- collisioni di oggetti massicci (galassie, gruppi di galassie).
Sorprendentemente, secondo vari progetti, l'accesso a queste stazioni è fornito a studenti e persino scolari. Studiano i raggi X provenienti dallo spazio profondo: diffrazione, interferenza, spettro diventano oggetto di loro interesse. E alcuni utenti molto giovani di questi osservatori spaziali stanno facendo delle scoperte. Un lettore meticoloso può, ovviamente, obiettare che ha solo il tempo di guardare immagini ad alta risoluzione e notare dettagli sottili. E, naturalmente, l'importanza delle scoperte, di regola, è compresa solo da astronomi seri. Ma questi casi ispirano i giovani a dedicare la propria vita all'esplorazione dello spazio. E vale la pena perseguire questo obiettivo.
Così, le conquiste di Wilhelm Conrad Roentgen hanno aperto l'accesso alla conoscenza stellare e alla capacità di conquistare altri pianeti.
