Що це — дифракція рентгенівських променів?

Ця стаття містить опис такого поняття, як дифракція рентгенівських променів. Тут пояснюються фізичні підстави цього явища і його застосування.

Технології створення нових матеріалів

Інновації, нанотехнології — це тренд сучасного світу. Новини рясніють повідомленнями про нові революційні матеріали. Але мало хто задумується, який величезний дослідницький апарат потрібен вченим, щоб створити хоча б маленьке поліпшення існуючих технологій. Одне з основоположних явищ, які допомагають людям у цьому, — дифракція рентгенівських променів.

Електромагнітне випромінювання

Для початку потрібно пояснити, що таке електромагнітне випромінювання. Будь-яке рухоме заряджене тіло породжує навколо себе електромагнітне поле. Ці поля пронизують все навколо, навіть вакуум глибокого космосу невільний від них. Якщо в такому полі виникають періодичні обурення, які здатні поширюватися в просторі, вони називаються електромагнітним випромінюванням. Для його опису застосовуються такі поняття, як довжина хвилі, частота та її енергія. Що таке енергія, зрозуміло інтуїтивно, а довжина хвилі — відстань між однаковими фазами (наприклад, між двома сусідніми максимумами). Чим вища довжина хвилі (і, відповідно, частота), тим менша її енергія. Нагадаємо, ці поняття необхідні, щоб описати, що таке дифракція рентгенівських променів коротко і ємко.

Електромагнітний спектр

Все розмаїття електромагнітних променів вміщується на спеціальній шкалі. Залежно від довжини хвилі, розрізняють (від найдовших до найкоротших):

• радіохвилі;
• терагерцеві хвилі;
• інфрачервоні хвилі;
• видимі хвилі;
• ультрафіолетові хвилі;
• рентгенівські хвилі;
• гамма-випромінювання.

Таким чином, цікаве нас випромінювання має дуже маленьку довжину хвилі і найвищі енергії (тому воно іноді називається жорстким). Отже, ми наближаємося до опису того, що таке дифракція рентгенівських променів.

Походження рентгенівських променів

Чим вища енергія випромінювання, тим складніше її отримати штучно. Розвівши багаття, людина отримує чимало ВК-випромінювання, адже саме воно переносить тепло. Але щоб відбулася дифракція рентгенівських променів на просторових структурах, треба чимало постаратися. Отже, цей вид електромагнітного випромінювання вивільняється, якщо вибити електрон з оболонки атома, яка знаходиться близько до ядра. Електрони, розташовані вище, прагнуть заповнити утворену дірку, їх переходи і дають рентгенівські фотони. Також при різкому гальмуванні заряджених частинок, що володіють масою (наприклад, електронів), виробляються ці високоенергетичні промені. Таким чином, дифракція рентгенівських променів на кристалічній решітці супроводжується витратою досить великої кількості енергії.

У промислових масштабах це випромінювання отримують так:

1. Катод випускає електрон з високою енергією.
2. Електрон стикається з речовиною аноду.
3. Електрон різко гальмує (при цьому випускає рентген).
4. В іншому випадку гальмуюча частинка вибиває електрон з низької орбіти атома з речовини аноду, що також породжує рентген.

Необхідно також розуміти, що, як і у будь-якого іншого електромагнітного випромінювання, у рентгенівського є свій спектр. Саме це випромінювання застосовується досить широко. Всім відомо, що зламану кістку або освіту в легенях шукають саме за допомогою рентгенівського випромінювання.

Будова кристалічної речовини

Тепер ми впритул підійшли до того, що собою являє метод дифракції рентгенівських променів. Для цього слід пояснити, як влаштовано тверде тіло. У науці твердим тілом прийнято називати будь-яку речовину в кристалічному стані. Дерево, глина або скло тверді, але в них відсутнє головне: періодична будова. А ось кристали мають цю дивовижну властивість. Сама назва цього явища містить в собі його суть. Для початку треба зрозуміти, що атоми в кристалі закріплені жорстко. Зв’язки між ними мають деякий ступінь еластичності, однак вони занадто міцні, щоб атоми могли пересуватися всередині решітки. Такі епізоди можливі, але при дуже сильному зовнішньому впливі. Наприклад, якщо кристал металу згинати, в ньому утворюються точкові дефекти різних типів: в одних місцях атом залишає своє місце, утворюючи вакансію, в інших — переміщається в недозволені йому позиції, утворюючи дефект впровадження. У місці згину кристал втрачає свою струнку кристалічну будову, стає дуже дефектним, пухким. Тому скріпку, яку один раз розгинали, краще не використовувати, так як метал втратив свої властивості.

Якщо атоми закріплені жорстко, вони вже не можуть розташовуватися відносно один одного хаотично, як в рідинах. Вони повинні організуватися так, щоб мінімізувати енергію своєї взаємодії. Таким чином, атоми шикуються в ґрати. У кожній решітці присутній мінімальний набір атомів, що особливим чином розташовуються в просторі, — це елементарна комірка кристала. Якщо її цілком транслювати, тобто поєднати краї один з одним, змістивши в будь-якому напрямку, ми отримаємо весь кристал. Однак варто пам’ятати, що це — модель. Будь-який реальний кристал володіє дефектами, і абсолютно точної трансляції домогтися майже неможливо. Сучасні кремнієві елементи пам’яті близькі до ідеальних кристалів. Однак їх отримання потребує неймовірних кількостей енергії та інших ресурсів. У лабораторних умовах вчені отримують досконалі структури різних видів, але, як правило, витрати на їх створення занадто великі. Але будемо вважати, що всі кристали ідеальні: у будь-якому напрямку ті ж атоми будуть розташовуватися на тих же відстанях один від одного. Така будова називається кристалічною решіткою.

Дослідження структури кристалів

Саме завдяки цьому факту можлива дифракція рентгенівських променів на кристалах. Періодична будова кристалів створює в них деякі площини, в яких більше атомів, ніж в інших напрямках. Іноді ці площини задаються симетрією кристалічної решітки, іноді — взаємним розташуванням атомів. Кожній площині присвоюється своє позначення. Відстані між площинами дуже маленькі: близько декількох ангстремів (нагадаємо, ангстрем — це 10^-10 метра або 0,1 нанометр).

Однак площин одного напрямку в будь-якому реальному кристалі, навіть дуже маленькому, багато. Дифракція рентгенівських променів як метод використовує цей факт: всі хвилі, які змінили напрямок на площинах одного напрямку, підсумовуються, даючи на виході досить ясний сигнал. Так вчені можуть зрозуміти, в яких напрямках всередині кристала розташовані ці площини, і судять про внутрішню будову структури кристала. Однак тільки цих даних недостатньо. Крім кута нахилу, потрібно знати ще відстань між площинами. Без цього можна отримати тисячі різних моделей структури, але не знати точної відповіді. Про те, як вчені дізнаються про відстані між площинами, мова піде трохи нижче.

Явище дифракції

Ми вже дали фізичне обґрунтування того, що таке дифракція рентгенівських променів на просторовій решітці кристалів. Однак ми поки не пояснили сутність явища дифракції. Отже, дифракція — це огинання хвилями (в тому числі електромагнітними) перешкод. Дане явище здається порушенням законом лінійної оптики, однак це не так. Воно тісно пов’язане з інтерференцією і хвилевими властивостями, наприклад, фотонів. Якщо на шляху світла стоїть перешкода, то завдяки дифракції фотони можуть «зазирнути» за кут. Наскільки далеко відхилиться напрямок поширення світла від прямолінійного, залежить від розміру перешкоди. Чим менша перешкода, тим менше повинна бути довжина електромагнітної хвилі. Саме тому дифракція рентгенівських променів на монокристалах здійснюється за допомогою таких коротких хвиль: відстань між площинами дуже маленька, оптичні фотони просто не «пролізуть» між ними, а тільки відіб’ються від поверхні.

Таке поняття вірне, але в сучасній науці воно вважається занадто вузьким. Для розширення його визначення, а також для загальної ерудиції приведемо способи прояву дифракції хвиль.

1. Зміна просторової структури хвиль. Наприклад, розширення кута поширення хвильового пучка, відхилення хвилі або ряду хвиль в якомусь виділеному напрямку. Саме до цього класу явища відноситься огинання хвилями перешкод.
2. Розкладання хвиль у спектр.
3. Зміна поляризації хвиль.
4. Перетворення фазової структури хвиль.

Явище дифракції спільно з інтерференцією відповідальне за те, що при напрямку пучка світла на вузьку щілину за нею ми бачимо не один, а кілька світлових максимумів. Чим далі максимум від середини щілини, тим вище його порядок. Крім того, при правильній постановці експерименту тінь від звичайної швейної голки (природно, тонкої) розбивається на кілька смуг, причому рівно за голкою спостерігається світловий максимум, а не мінімум.

Формула Вульфа-Брегга

Ми вже говорили вище, що кінцевий сигнал складається з усіх рентгенівських фотонів, які відбиваються від площин з однаковим нахилом всередині кристала. Але розрахувати структуру точно дозволяє одне важливе співвідношення. Без нього була б марна дифракція рентгенівських променів. Формула Вульфа-Брегга виглядає так: 2dsinƟ = nλ. Тут d — відстань між площинами з однаковим кутом нахилу; — кут ковзання (бреггівський кут), або кут падіння на площину; n — порядок дифракційного максимуму; — довжина хвилі. Так як заздалегідь відомо, яким саме спектром рентгенівського випромінювання користуються для отримання даних і під яким кутом падає це випромінювання, то ця формула дозволяє розрахувати величину d. Трохи вище ми вже говорили, що без цих відомостей точно отримати структуру речовини неможливо.

Сучасне застосування дифракції рентгенівських променів

Виникає питання: в яких випадках потрібен цей аналіз, невже вчені не досліджували вже все на світі структури, і хіба при отриманні принципово нових речовин люди не припускають, який саме результат їх чекає? Відповідей чотири.

1. Так, нашу планету ми дізналися досить добре. Але щороку знаходять нові мінерали. Іноді їх структуру навіть припустити без рентгенівських променів не вийде.
2. Багато вчених намагаються поліпшити властивості вже існуючих матеріалів. Ці речовини піддають різним видам обробки (тиском, температурою, лазерами тощо). Іноді в їх структуру додають або прибирають з неї елементи. Зрозуміти, які внутрішні перебудови при цьому відбулися, допоможе дифракція рентгенівських променів на кристалах.
3. Для деяких застосувань (наприклад, для активних середовищ лазерів, карт пам’яті, оптичних елементів систем спостереження) кристали повинні дуже точно відповідати вимогам. Тому їх будова перевіряється за допомогою цього методу.
4. Дифракція рентгенівських променів — це єдиний спосіб з’ясувати, скільки і яких фаз вийшло при синтезі в багатокомпонентних системах. Прикладом таких систем можуть служити керамічні елементи сучасної техніки. Наявність небажаних фаз може спричинити серйозні наслідки.

Космічні дослідження

Дуже багато хто питає: «Навіщо нам величезні обсерваторії на орбіті Землі, навіщо нам марсохід, якщо людство ще не вирішило проблем бідності і війни?»

У кожного знайдуться свої доводи «за» і «проти», але очевидно, що у людства повинна бути мрія.

Тому, дивлячись на зірки, сьогодні ми можемо з упевненістю сказати: про них ми знаємо щодня все більше.

Рентгенівські промені від процесів, що відбуваються в космосі, не досягають поверхні нашої планети, їх поглинає атмосфера. Але ця частина електромагнітного спектру несе багато даних про явища з високими енергіями. Тому інструменти, що вивчають рентген, повинні бути винесені за межі Землі, на орбіту. Існуючі на даний момент станції вивчають наступні об’єкти:

• залишки від вибухів наднових;
• центри галактик;
• нейтронні зірки;
• чорні діри;
• зіткнення масивних об’єктів (галактик, груп галактик).

Дивно, але за різними проектами доступ до цих станцій надається студентам і навіть школярам. Вони вивчають ренгенівські промені, що йдуть з глибокого космосу: дифракція, інтерференція, спектр стають предметом їх інтересу. І деякі дуже юні користувачі цих космічних обсерваторій здійснюють відкриття. Допитливий читач може, звичайно, заперечити, що у них-то якраз є час знімки у великих дозволах розглядати і підмічати малопомітні деталі. І звичайно, важливість відкриттів, як правило, розуміють тільки серйозні вчені-астрономи. Але такі випадки надихають молодих людей на те, щоб присвятити своє життя дослідженню космосу. А ця мета гідна того, щоб їй слідувати.

Так, досягнення Вільгельма Конрада Рентгена відкрили доступ до зіркового знання і можливості підкорити інші планети.