Bu makale, X-ışını kırınımı gibi bir şeyin açıklamasını içerir. Bu olgunun fiziksel temeli ve uygulamaları burada açıklanmıştır.
Yeni malzemeler yaratma teknolojileri
İnovasyon, nanoteknoloji modern dünyanın trendidir. Haberler, devrim niteliğindeki yeni materyallerin raporlarıyla dolu. Ancak çok az insan, bilim adamlarının mevcut teknolojilerde en azından küçük bir gelişme yaratmak için ne kadar büyük bir araştırma aygıtına ihtiyaç duyduğunu düşünüyor. İnsanların bunu yapmasına yardımcı olan temel fenomenlerden biri X-ışını kırınımıdır.
Elektromanyetik radyasyon
Önce elektromanyetik radyasyonun ne olduğunu açıklaman gerekiyor. Hareket eden herhangi bir yüklü cisim, kendi etrafında bir elektromanyetik alan oluşturur. Bu alanlar etrafındaki her şeyi kaplar, derin uzayın boşluğu bile onlardan bağımsız değildir. Böyle bir alanda uzayda yayılabilen periyodik bozulmalar varsa, bunlara elektromanyetik radyasyon denir. Bunu tanımlamak için dalga boyu, frekans ve enerjisi gibi kavramlar kullanılır. Enerji nedir sezgiseldir ve dalga boyu aradaki mesafedir.özdeş fazlar (örneğin, iki bitişik maksimum arasında). Dalga boyu (ve buna bağlı olarak frekans) ne kadar yüksek olursa, enerjisi o kadar düşük olur. Bu kavramların X-ışını kırınımının kısa ve öz bir şekilde ne olduğunu açıklamak için gerekli olduğunu hatırlayın.
Elektromanyetik spektrum
Tüm elektromanyetik ışın çeşitleri özel bir ölçeğe uyar. Dalga boyuna bağlı olarak, ayırt ederler (en uzundan en kısaya):
- radyo dalgaları;
- terahertz dalgaları;
- kızılötesi dalgalar;
- görünür dalgalar;
- ultraviyole dalgalar;
- X-ışını dalgaları;
- gama radyasyonu.
Dolayısıyla ilgilendiğimiz radyasyon çok kısa dalga boyuna ve en yüksek enerjiye sahiptir (bu yüzden bazen sert olarak adlandırılır). Bu nedenle, X-ışını kırınımının ne olduğunu açıklamaya daha da yaklaşıyoruz.
X-ışınlarının kökeni
Radyasyon enerjisi ne kadar yüksek olursa, onu yapay olarak elde etmek o kadar zor olur. Ateş yaktıktan sonra, bir kişi çok fazla kızılötesi radyasyon alır, çünkü ısıyı aktaran odur. Ancak X-ışınlarının uzamsal yapılar tarafından kırınımının gerçekleşmesi için çok çaba sarf edilmesi gerekir. Dolayısıyla, bu tür bir elektromanyetik radyasyon, çekirdeğe yakın olan bir atomun kabuğundan bir elektron atıldığında salınır. Yukarıda bulunan elektronlar, ortaya çıkan deliği, geçişlerini doldurma ve X-ışını fotonları verme eğilimindedir. Ayrıca, kütleli yüklü parçacıkların keskin yavaşlaması sırasında (örneğin,elektronlar), bu yüksek enerjili kirişler üretilir. Bu nedenle, bir kristal kafes üzerindeki X-ışınlarının kırınımına oldukça büyük miktarda enerji harcaması eşlik eder.
Endüstriyel ölçekte bu radyasyon şu şekilde elde edilir:
- Katot, yüksek enerjili bir elektron yayar.
- Elektron anotun malzemesiyle çarpışır.
- Elektron keskin bir şekilde yavaşlar (X-ışınları yayarken).
- Başka bir durumda, yavaşlayan parçacık anot malzemesinden atomun düşük yörüngesindeki bir elektronu atar ve bu da X-ışınları üretir.
Ayrıca, diğer elektromanyetik radyasyonlar gibi, X-ışınlarının da kendi spektrumlarına sahip olduğunu anlamak gerekir. Bu radyasyonun kendisi oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Akciğerde kırık bir kemik veya kitlenin röntgen yardımıyla arandığını herkes bilir.
Kristal bir maddenin yapısı
Şimdi X-ışını kırınım yönteminin ne olduğuna yaklaşıyoruz. Bunun için sağlam bir cismin nasıl düzenlendiğini açıklamak gerekir. Bilimde, katı bir cisme kristal haldeki herhangi bir madde denir. Ahşap, kil veya cam katıdır, ancak asıl şeyden yoksundurlar: periyodik bir yapı. Ancak kristallerin bu şaşırtıcı özelliği vardır. Bu fenomenin adı özünü içerir. İlk önce, kristaldeki atomların katı bir şekilde sabitlendiğini anlamalısınız. Aralarındaki bağlar bir dereceye kadar esnekliğe sahiptir, ancak atomların içeride hareket etmesi için çok güçlüdürler.ızgaralar. Bu tür bölümler mümkündür, ancak çok güçlü bir dış etki ile. Örneğin, bir metal kristal bükülürse, içinde çeşitli tiplerde nokta kusurları oluşur: bazı yerlerde atom yerini terk ederek bir boşluk oluşturur, diğerlerinde ise yanlış pozisyonlara geçerek bir ara yer kusuru oluşturur. Büküm yerinde kristal, ince kristal yapısını kaybeder, çok kusurlu, gevşek hale gelir. Bu nedenle, metal özelliklerini kaybettiği için bir kez bükülmemiş bir ataş kullanmamak daha iyidir.
Atomlar katı bir şekilde sabitlenirse, sıvılarda olduğu gibi artık birbirlerine göre rastgele düzenlenemezler. Etkileşimlerinin enerjisini en aza indirecek şekilde kendilerini organize etmelidirler. Böylece atomlar bir kafes şeklinde sıralanır. Her kafeste, uzayda özel bir şekilde düzenlenmiş minimum bir atom kümesi vardır - bu, kristalin temel hücresidir. Tamamen yayınlarsak, yani kenarları herhangi bir yöne kaydırarak birbiriyle birleştirirsek, tüm kristali elde ederiz. Ancak bunun bir model olduğunu hatırlamakta fayda var. Herhangi bir gerçek kristalin kusurları vardır ve kesinlikle doğru bir çeviri elde etmek neredeyse imkansızdır. Modern silikon bellek hücreleri ideal kristallere yakındır. Ancak bunları elde etmek için inanılmaz miktarda enerji ve diğer kaynaklar gerekir. Laboratuvarda, bilim adamları çeşitli türlerde mükemmel yapılar elde ederler, ancak kural olarak, yaratılmalarının maliyeti çok yüksektir. Ancak tüm kristallerin ideal olduğunu varsayacağız: herhangi bir durumdayönde, aynı atomlar birbirinden aynı mesafelerde yer alacaktır. Bu yapıya kristal kafes denir.
Kristal yapının incelenmesi
Bu nedenle kristaller üzerinde X-ışını kırınımı mümkündür. Kristallerin periyodik yapısı, içlerinde diğer yönlerden daha fazla atom bulunan belirli düzlemler yaratır. Bazen bu düzlemler kristal kafesin simetrisiyle, bazen de atomların karşılıklı dizilişiyle belirlenir. Her uçağa kendi ataması atanır. Düzlemler arasındaki mesafeler çok küçüktür: birkaç angstrom mertebesinde (hatırlayın, bir angstrom 10-10 metre veya 0,1 nanometredir).
Ancak, herhangi bir gerçek kristalde aynı yönde çok sayıda düzlem vardır, çok küçük bir kristalde bile. Bir yöntem olarak X-ışını kırınımı bu gerçeği kullanır: aynı yöndeki düzlemlerde yön değiştiren tüm dalgalar toplanır ve çıktıda oldukça net bir sinyal verir. Böylece bilim adamları, bu düzlemlerin kristalin içinde hangi yönlerde bulunduğunu anlayabilir ve kristal yapının iç yapısını değerlendirebilir. Ancak bu veriler tek başına yeterli değildir. Eğim açısına ek olarak, düzlemler arasındaki mesafeyi de bilmeniz gerekir. Bu olmadan, yapının binlerce farklı modelini elde edebilirsiniz, ancak kesin cevabı bilemezsiniz. Bilim adamlarının uçaklar arasındaki mesafeyi nasıl öğrendikleri aşağıda tartışılacaktır.
Kırınım fenomeni
Kristallerin uzamsal kafesi üzerindeki X-ışını kırınımının ne olduğuna dair fiziksel bir gerekçeyi zaten verdik. Ancak özünü henüz açıklamadık.kırınım fenomeni. Kırınım, engellerin dalgalarla (elektromanyetik olanlar dahil) yuvarlanmasıdır. Bu fenomen, lineer optik yasasının ihlali gibi görünüyor, ama değil. Örneğin fotonların girişim ve dalga özellikleriyle yakından ilgilidir. Işığın önünde bir engel varsa, kırınım nedeniyle fotonlar köşeden "bakabilir". Işığın yönünün düz bir çizgiden ne kadar uzağa gittiği engelin boyutuna bağlıdır. Engel ne kadar küçükse, elektromanyetik dalga boyu o kadar kısa olmalıdır. Bu nedenle, tek kristaller üzerindeki X-ışını kırınımı bu kadar kısa dalgalar kullanılarak gerçekleştirilir: düzlemler arasındaki mesafe çok küçüktür, optik fotonlar aralarında "sürünmez", sadece yüzeyden yansıtılır.
Böyle bir kavram doğrudur, ancak modern bilimde çok dar kabul edilir. Tanımını genişletmek ve genel bilgi için, dalga kırınımının tezahürü için yöntemler sunuyoruz.
- Dalgaların uzamsal yapısını değiştirme. Örneğin, bir dalga demetinin yayılma açısının genişlemesi, bir dalganın veya bir dizi dalganın tercih edilen bir yönde sapması. Engellerin etrafındaki dalga bükülmesi bu fenomen sınıfına aittir.
- Dalgaların bir spektruma ayrıştırılması.
- Dalga polarizasyonundaki değişim.
- Dalgaların faz yapısının dönüşümü.
Kırınım fenomeni, girişimle birlikte, bir ışık huzmesi arkasındaki dar bir yarığa yönlendirildiğinde, bir değil birkaç tane görmemizden sorumludur.hafif maksimum. Maksimum, yuvanın ortasından ne kadar uzaksa, sırası o kadar yüksek olur. Ek olarak, deneyin doğru ayarlanmasıyla, sıradan bir dikiş iğnesinden (elbette ince) gelen gölge birkaç şeride bölünür ve maksimum ışık, minimum değil, tam olarak iğnenin arkasında gözlenir.
Wulf-Bragg formülü
Nihai sinyalin kristal içinde aynı eğime sahip düzlemlerden yansıyan tüm X-ışını fotonlarının toplamı olduğunu zaten yukarıda söylemiştik. Ancak önemli bir ilişki, yapıyı doğru bir şekilde hesaplamanıza izin verir. Onsuz, X-ışını kırınımı işe yaramazdı. Wulf-Bragg formülü şöyle görünür: 2dsinƟ=nλ. Burada d, aynı eğim açısına sahip düzlemler arasındaki mesafedir, θ bakış açısıdır (Bragg açısı), veya düzlemdeki gelme açısıdır, n, maksimum kırınım derecesidir, λ dalga boyudur. Veri elde etmek için hangi X-ışını spektrumunun kullanıldığı ve bu radyasyonun hangi açıyla düştüğü önceden bilindiğinden, bu formül d'nin değerini hesaplamamızı sağlar. Bu bilgi olmadan bir maddenin yapısını doğru bir şekilde elde etmenin imkansız olduğunu biraz daha yukarıda söylemiştik.
X-ışını kırınımının modern uygulaması
Soru ortaya çıkıyor: Bu analiz hangi durumlarda gerekli? ? Dört cevap var.
- Evet, gezegenimizi oldukça iyi tanıdık. Ancak her yıl yeni mineraller bulunur. Bazen yapıları bilex-ışınları olmadan tahmin etmek işe yaramaz.
- Birçok bilim insanı halihazırda var olan malzemelerin özelliklerini iyileştirmeye çalışıyor. Bu maddeler çeşitli işleme türlerine (basınç, sıcaklık, lazerler vb.) tabi tutulur. Bazen elemanlar yapılarına eklenir veya yapılarından çıkarılır. Kristaller üzerindeki X-ışını kırınımı, bu durumda hangi dahili yeniden düzenlemelerin meydana geldiğini anlamaya yardımcı olacaktır.
- Bazı uygulamalar için (örneğin aktif medya, lazerler, hafıza kartları, gözetleme sistemlerinin optik elemanları), kristaller çok hassas bir şekilde eşleştirilmelidir. Bu nedenle yapıları bu yöntemle kontrol edilir.
- X-ışını kırınımı, çok bileşenli sistemlerde sentez sırasında kaç tane ve hangi fazın elde edildiğini bulmanın tek yoludur. Modern teknolojinin seramik elemanları bu tür sistemlere örnek teşkil edebilir. İstenmeyen aşamaların varlığı ciddi sonuçlara yol açabilir.
Uzay keşfi
Birçok insan soruyor: "Neden Dünya'nın yörüngesindeki devasa gözlemevlerine ihtiyacımız var, insanlık yoksulluk ve savaş sorunlarını henüz çözmediyse neden bir geziciye ihtiyacımız var?"
Herkesin kendine göre haklı ve haksız sebepleri vardır ama insanlığın bir hayali olması gerektiği açık.
Bu nedenle, bugün yıldızlara bakarak güvenle söyleyebiliriz: Onlar hakkında her gün daha fazla şey biliyoruz.
Uzayda meydana gelen süreçlerden gelen X-ışınları gezegenimizin yüzeyine ulaşmaz, atmosfer tarafından emilirler. Ama bu kısımElektromanyetik spektrum, yüksek enerjili fenomenler hakkında birçok veri taşır. Bu nedenle, X-ışınlarını inceleyen aletlerin Dünya'dan yörüngeye alınması gerekir. Şu anda mevcut istasyonlar aşağıdaki nesneleri inceliyor:
- süpernova patlamalarının kalıntıları;
- galaksi merkezleri;
- nötron yıldızları;
- kara delikler;
- büyük nesnelerin çarpışması (galaksiler, galaksi grupları).
Şaşırtıcı bir şekilde, çeşitli projelere göre, öğrencilere ve hatta okul çocuklarına bu istasyonlara erişim sağlanmaktadır. Derin uzaydan gelen X-ışınlarını incelerler: kırınım, girişim, spektrum ilgi alanlarının konusu haline gelir. Ve bu uzay gözlemevlerinin bazı çok genç kullanıcıları keşifler yapıyor. Titiz bir okuyucu, elbette, sadece yüksek çözünürlüklü resimlere bakmak ve ince ayrıntıları fark etmek için zamanları olduğuna itiraz edebilir. Ve elbette, keşiflerin önemi, kural olarak, yalnızca ciddi gökbilimciler tarafından anlaşılır. Ancak bu tür vakalar, gençleri hayatlarını uzay araştırmalarına adamaya teşvik ediyor. Ve bu hedef peşinden gitmeye değer.
Böylece, Wilhelm Conrad Roentgen'in başarıları, yıldızların bilgisine ve diğer gezegenleri fethetme yeteneğine erişim sağladı.
