Данная статья содержит описание такого понятия, как дифракция рентгеновских лучей. Здесь объясняются физические основания этого явления и его применение.
Технологии создания новых материалов
Инновации, нанотехнологии – это тренд современного мира. Новости пестрят сообщениями о новых революционных материалах. Но мало кто задумывается, какой огромный исследовательский аппарат требуется ученым, чтобы создать хотя бы маленькое улучшение существующих технологий. Одно из основополагающих явлений, которые помогают людям в этом, – дифракция рентгеновских лучей.
Электромагнитное излучение
Для начала требуется пояснить, что такое электромагнитное излучение. Любое движущееся заряженное тело порождает вокруг себя электромагнитное поле. Эти поля пронизывают все вокруг, даже вакуум глубокого космоса несвободен от них. Если в таком поле возникают периодические возмущения, которые способны распространяться в пространстве, они называются электромагнитным излучением. Для его описания применяются такие понятия, как длина волны, частота и ее энергия. Что такое энергия, понятно интуитивно, а длина волны – расстояние между одинаковыми фазами (например, между двумя соседними максимумами). Чем выше длина волны (и, соответственно, частота), тем меньше ее энергия. Напомним, эти понятия необходимы, чтобы описать, что такое дифракция рентгеновских лучей кратко и емко.
Электромагнитный спектр
Все разнообразие электромагнитных лучей умещается на специальной шкале. В зависимости от длины волны, различают (от самых длинных к самым коротким):
- радиоволны;
- терагерцевые волны;
- инфракрасные волны;
- видимые волны;
- ультрафиолетовые волны;
- рентгеновские волны;
- гамма-излучение.
Таким образом, интересующее нас излучение имеет очень маленькую длину волны и самые высокие энергии (поэтому оно иногда называется жестким). Следовательно, мы приближаемся к описанию того, что такое дифракция рентгеновских лучей.
Происхождение рентгеновских лучей
Чем выше энергия излучения, тем сложнее его получить искусственно. Разведя костер, человек получает немало ИК-излучения, ведь именно оно переносит тепло. Но чтобы произошла дифракция рентгеновских лучей на пространственных структурах, надо немало постараться. Итак, этот вид электромагнитного излучения высвобождается, если выбить электрон с оболочки атома, которая находится близко к ядру. Электроны, расположенные выше, стремятся заполнить образовавшуюся дыру, их переходы и дают рентгеновские фотоны. Также при резком торможении заряженных частиц, обладающих массой (например, электронов), производятся эти высокоэнергетические лучи. Таким образом, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке сопровождается затратой достаточно большого количества энергии.
В промышленных масштабах это излучение получают так:
- Катод испускает электрон с высокой энергией.
- Электрон сталкивается с веществом анода.
- Электрон резко тормозит (при этом испускает рентген).
- В другом случае тормозящая частица выбивает электрон с низкой орбиты атома из вещества анода, что также порождает рентген.
Необходимо также понимать, что, как и у любого другого электромагнитного излучения, у рентгеновского есть свой спектр. Само это излучение применяется достаточно широко. Всем известно, что сломанную кость или образование в легких ищут именно с помощью рентгеновского излучения.
Строение кристаллического вещества
Теперь мы вплотную подошли к тому, что собой представляет метод дифракции рентгеновских лучей. Для этого следует пояснить, как устроено твердое тело. В науке твердым телом принято называть любое вещество в кристаллическом состоянии. Дерево, глина или стекло твердые, но в них отсутствует главное: периодическое строение. А вот кристаллы обладают этим удивительным свойством. Само название этого явления содержит в себе его суть. Для начала надо понять, что атомы в кристалле закреплены жестко. Связи между ними обладают некоторой степенью эластичности, однако они слишком прочные, чтобы атомы могли передвигаться внутри решетки. Такие эпизоды возможны, но при очень сильном внешнем воздействии. Например, если кристалл металла сгибать, в нем образуются точечные дефекты разных типов: в одних местах атом покидает свое место, образуя вакансию, в других – перемещается в неположенные ему позиции, образуя дефект внедрения. В месте сгиба кристалл теряет свое стройное кристаллическое строение, становится очень дефектным, рыхлым. Поэтому скрепку, которую один раз разгибали, лучше не использовать, так как металл потерял свои свойства.
Если атомы закреплены жестко, они уже не могут располагаться относительно друг друга хаотично, как в жидкостях. Они должны организоваться так, чтобы минимизировать энергию своего взаимодействия. Таким образом, атомы выстраиваются в решетку. В каждой решетке присутствует минимальный набор атомов, особенным образом располагающихся в пространстве, – это элементарная ячейка кристалла. Если ее целиком транслировать, то есть совместить края друг с другом, сместив в любом направлении, мы получим весь кристалл. Однако стоит помнить, что это – модель. Любой реальный кристалл обладает дефектами, и абсолютно точной трансляции добиться почти невозможно. Современные кремниевые элементы памяти близки к идеальным кристаллам. Однако их получение требует неимоверных количеств энергии и других ресурсов. В лабораторных условиях ученые получают совершенные структуры разных видов, но, как правило, затраты на их создание слишком велики. Но будем считать, что все кристаллы идеальные: в любом направлении те же атомы будут располагаться на тех же расстояниях друг от друга. Такое строение называется кристаллической решеткой.
Исследование структуры кристаллов
Именно благодаря этому факту возможна дифракция рентгеновских лучей на кристаллах. Периодическое строение кристаллов создает в них некоторые плоскости, в которых больше атомов, чем в других направлениях. Иногда эти плоскости задаются симметрией кристаллической решетки, иногда – взаимным расположением атомов. Каждой плоскости присваивается свое обозначение. Расстояния между плоскостями очень маленькие: порядка нескольких ангстремов (напомним, ангстрем – это 10-10 метра или 0,1 нанометр).
Однако плоскостей одного направления в любом реальном кристалле, даже очень маленьком, много. Дифракция рентгеновских лучей как метод использует этот факт: все волны, которые изменили направление на плоскостях одного направления, суммируются, давая на выходе достаточно ясный сигнал. Так ученые могут понять, в каких направлениях внутри кристалла расположены эти плоскости, и судят о внутреннем строении структуры кристалла. Однако только этих данных недостаточно. Помимо угла наклона, требуется знать еще расстояние между плоскостями. Без этого можно получить тысячи разных моделей структуры, но не знать точного ответа. О том, как ученые узнают о расстоянии между плоскостями, речь пойдет чуть ниже.
Явление дифракции
Мы уже дали физическое обоснование того, что такое дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке кристаллов. Однако мы пока не объяснили сущность явления дифракции. Итак, дифракция – это огибание волнами (в том числе электромагнитными) препятствий. Данное явление кажется нарушением законом линейной оптики, однако это не так. Оно тесно связано с интерференцией и волновыми свойствами, например, фотонов. Если на пути света стоит препятствие, то благодаря дифракции фотоны могут «заглянуть» за угол. Насколько далеко отклонится направление распространения света от прямолинейного, зависит от размера препятствия. Чем меньше препятствие, тем меньше должна быть длина электромагнитной волны. Именно поэтому дифракция рентгеновских лучей на монокристаллах осуществляется с помощью таких коротких волн: расстояние между плоскостями очень маленькое, оптические фотоны просто не «пролезут» между ними, а только отразятся от поверхности.
Такое понятие верно, но в современной науке оно считается слишком узким. Для расширения его определения, а также для общей эрудиции приведем способы проявления дифракции волн.
- Изменение пространственной структуры волн. Например, расширение угла распространения волнового пучка, отклонение волны или ряда волн в каком-то выделенном направлении. Именно к этому классу явления относится огибание волнами препятствий.
- Разложение волн в спектр.
- Изменение поляризации волн.
- Преобразование фазовой структуры волн.
Явление дифракции совместно с интерференцией ответственно за то, что при направлении пучка света на узкую щель за ней мы видим не один, а несколько световых максимумов. Чем дальше максимум от середины щели, тем выше его порядок. Кроме того, при правильной постановке эксперимента тень от обычной швейной иглы (естественно, тонкой) разбивается на несколько полос, причем ровно за иглой наблюдается световой максимум, а не минимум.
Формула Вульфа-Брэгга
Мы уже говорили выше, что конечный сигнал складывается изо всех рентгеновских фотонов, которые отражаются от плоскостей с одинаковым наклоном внутри кристалла. Но рассчитать структуру точно позволяет одно важное соотношение. Без него была бы бесполезна дифракция рентгеновских лучей. Формула Вульфа-Брэгга выглядит так: 2dsinƟ = nλ. Здесь d — расстояние между плоскостями с одинаковым углом наклона, θ — угол скольжения (брэгговский угол), или угол падения на плоскость, n — порядок дифракционного максимума, λ — длина волны. Так как заранее известно, каким именно спектром рентгеновского излучения пользуются для получения данных и под каким углом падает это излучение, то эта формула позволяет рассчитать величину d. Немного выше мы уже говорили, что без этих сведений точно получить структуру вещества невозможно.
Современное применение дифракции рентгеновских лучей
Возникает вопрос: в каких случаях нужен этот анализ, неужели ученые не исследовали уже все на свете структуры, и разве при получении принципиально новых веществ люди не предполагают, какой именно результат их ждет? Ответов четыре.
- Да, нашу планету мы узнали достаточно хорошо. Но каждый год находят новые минералы. Иногда их структуру даже предположить без рентгеновских лучей не получится.
- Многие ученые пытаются улучшить свойства уже существующих материалов. Эти вещества подвергают разным видам обработки (давлением, температурой, лазерами и т. д.). Иногда в их структуру добавляют или убирают из нее элементы. Понять, какие внутренние перестройки при этом произошли, поможет дифракция рентгеновских лучей на кристаллах.
- Для некоторых применений (например, для активных сред лазеров, карт памяти, оптических элементов систем наблюдения) кристаллы должны очень точно соответствовать требованиям. Поэтому их строение проверяется с помощью этого метода.
- Дифракция рентгеновских лучей – это единственный способ выяснить, сколько и каких фаз получилось при синтезе в многокомпонентных системах. Примером таких систем могут служить керамические элементы современной техники. Наличие нежелательных фаз может повлечь за собой серьезные последствия.
Космические исследования
Очень многие спрашивают: «Зачем нам огромные обсерватории на орбите Земли, зачем нам марсоход, если человечество еще не решило проблем бедности и войны?»
У каждого найдутся свои доводы «за» и «против», но очевидно, что у человечества должна быть мечта.
Поэтому, глядя на звезды, сегодня мы можем с уверенностью сказать: о них мы знаем каждый день все больше.
Рентгеновские лучи от процессов, происходящих в космосе, не достигают поверхности нашей планеты, их поглощает атмосфера. Но эта часть электромагнитного спектра несет много данных о явлениях с высокими энергиями. Поэтому инструменты, изучающие рентген, должны быть вынесены за пределы Земли, на орбиту. Существующие на данный момент станции изучают следующие объекты:
- остатки от взрывов сверхновых;
- центры галактик;
- нейтронные звезды;
- черные дыры;
- столкновения массивных объектов (галактик, групп галактик).
Удивительно, но по разным проектам доступ к этим станциям предоставляется студентам и даже школьникам. Они изучают идущие из глубокого космоса ренгеновские лучи: дифракция, интерференция, спектр становятся предметом их интереса. И некоторые весьма юные пользователи этих космических обсерваторий совершают открытия. Дотошный читатель может, конечно, возразить, что у них-то как раз есть время снимки в больших разрешениях рассматривать и подмечать малозаметные детали. И конечно, важность открытий, как правило, понимают только серьезные ученые-астрономы. Но такие случаи вдохновляют молодых людей на то, чтобы посвятить свою жизнь исследованию космоса. А эта цель достойна того, чтобы ей следовать.
Так, достижения Вильгельма Конрада Рентгена открыли доступ к звездному знанию и возможности покорить другие планеты.
