Artikel ini mengandungi penerangan tentang perkara seperti pembelauan sinar-X. Asas fizikal fenomena ini dan aplikasinya dijelaskan di sini.
Teknologi untuk mencipta bahan baharu
Inovasi, nanoteknologi adalah trend dunia moden. Berita ini penuh dengan laporan bahan revolusioner baru. Tetapi sebilangan kecil orang berfikir tentang apa yang diperlukan oleh para saintis penyelidikan yang besar untuk mencipta sekurang-kurangnya peningkatan kecil dalam teknologi sedia ada. Salah satu fenomena asas yang membantu orang ramai melakukan ini ialah pembelauan sinar-X.
Sinaran elektromagnet
Mula-mula anda perlu menerangkan apa itu sinaran elektromagnet. Mana-mana badan bercas yang bergerak menghasilkan medan elektromagnet di sekelilingnya. Medan ini meliputi segala-galanya di sekeliling, malah ruang hampa yang dalam tidak terlepas daripadanya. Jika dalam medan sedemikian terdapat gangguan berkala yang boleh merambat di angkasa, ia dipanggil sinaran elektromagnet. Untuk menerangkannya, konsep seperti panjang gelombang, frekuensi dan tenaganya digunakan. Apakah tenaga adalah intuitif, dan panjang gelombang ialah jarak antarafasa yang sama (contohnya, antara dua maxima bersebelahan). Semakin tinggi panjang gelombang (dan, dengan itu, frekuensi), semakin rendah tenaganya. Ingat bahawa konsep ini perlu untuk menerangkan tentang pembelauan sinar-X dengan ringkas dan padat.
Spektrum elektromagnet
Semua jenis sinar elektromagnet sesuai pada skala khas. Bergantung pada panjang gelombang, mereka membezakan (daripada yang terpanjang hingga yang terpendek):
- gelombang radio;
- gelombang terahertz;
- gelombang inframerah;
- gelombang kelihatan;
- gelombang ultraungu;
- gelombang sinar-X;
- radiasi gamma.
Oleh itu, sinaran yang kita minati mempunyai panjang gelombang yang sangat pendek dan tenaga yang paling tinggi (sebab itulah ia kadangkala dipanggil keras). Oleh itu, kita semakin hampir untuk menerangkan apa itu pembelauan sinar-X.
Asal usul sinar-X
Semakin tinggi tenaga sinaran, semakin sukar untuk mendapatkannya secara buatan. Setelah membuat api, seseorang menerima banyak sinaran inframerah, kerana ia adalah yang memindahkan haba. Tetapi untuk pembelauan sinar-X oleh struktur spatial berlaku, banyak usaha mesti dibuat. Jadi, sinaran elektromagnet jenis ini dibebaskan apabila elektron tersingkir daripada petala atom, yang berdekatan dengan nukleus. Elektron yang terletak di atas cenderung untuk mengisi lubang yang terhasil, peralihannya dan memberikan foton sinar-X. Juga, semasa nyahpecutan mendadak zarah bercas dengan jisim (contohnya,elektron), rasuk tenaga tinggi ini dihasilkan. Oleh itu, pembelauan sinar-X pada kekisi kristal disertai dengan perbelanjaan tenaga yang agak besar.
Pada skala industri, sinaran ini diperoleh seperti berikut:
- Katod memancarkan elektron bertenaga tinggi.
- Elektron berlanggar dengan bahan anod.
- Elektron menyahpecutan secara mendadak (semasa memancarkan sinar-X).
- Dalam kes lain, zarah nyahpecutan mengetuk elektron keluar dari orbit rendah atom daripada bahan anod, yang turut menjana sinar-X.
Ia juga perlu memahami bahawa, seperti mana-mana sinaran elektromagnet lain, sinar-X mempunyai spektrumnya sendiri. Sinaran ini sendiri digunakan secara meluas. Semua orang tahu bahawa patah tulang atau jisim dalam paru-paru dicari dengan bantuan x-ray.
Struktur bahan kristal
Sekarang kita mendekati kaedah pembelauan sinar-X. Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk menerangkan bagaimana badan pepejal disusun. Dalam sains, jasad pepejal dipanggil sebarang bahan dalam keadaan kristal. Kayu, tanah liat atau kaca adalah pepejal, tetapi mereka tidak mempunyai perkara utama: struktur berkala. Tetapi kristal mempunyai sifat yang menakjubkan ini. Nama fenomena ini mengandungi intipatinya. Mula-mula anda perlu memahami bahawa atom-atom dalam kristal ditetapkan dengan tegar. Ikatan di antara mereka mempunyai beberapa tahap keanjalan, tetapi ia terlalu kuat untuk atom bergerak di dalam.jeriji. Episod sedemikian mungkin, tetapi dengan pengaruh luaran yang sangat kuat. Sebagai contoh, jika kristal logam dibengkokkan, kecacatan titik pelbagai jenis terbentuk di dalamnya: di beberapa tempat, atom meninggalkan tempatnya, membentuk kekosongan, di tempat lain, ia bergerak ke kedudukan yang salah, membentuk kecacatan interstisial. Di tempat selekoh, kristal kehilangan struktur kristalnya yang langsing, menjadi sangat rosak, longgar. Oleh itu, adalah lebih baik untuk tidak menggunakan klip kertas yang telah dibengkokkan sekali, kerana logam itu telah kehilangan sifatnya.
Jika atom difiksasi secara tegar, ia tidak lagi boleh disusun secara rawak secara relatif antara satu sama lain, seperti dalam cecair. Mereka mesti mengatur diri mereka sedemikian rupa untuk meminimumkan tenaga interaksi mereka. Oleh itu, atom-atom berbaris dalam kekisi. Dalam setiap kekisi terdapat set minimum atom yang disusun dengan cara yang istimewa di angkasa - ini adalah sel asas kristal. Jika kita menyiarkannya sepenuhnya, iaitu, menggabungkan tepi antara satu sama lain, beralih ke mana-mana arah, kita akan mendapat keseluruhan kristal. Walau bagaimanapun, perlu diingat bahawa ini adalah model. Mana-mana kristal sebenar mempunyai kecacatan, dan hampir mustahil untuk mencapai terjemahan yang benar-benar tepat. Sel memori silikon moden hampir dengan kristal yang ideal. Walau bagaimanapun, untuk mendapatkannya memerlukan jumlah tenaga dan sumber lain yang luar biasa. Di makmal, saintis memperoleh struktur sempurna dari pelbagai jenis, tetapi, sebagai peraturan, kos penciptaan mereka terlalu tinggi. Tetapi kami akan menganggap bahawa semua kristal adalah ideal: dalam mana-manaarah, atom yang sama akan terletak pada jarak yang sama antara satu sama lain. Struktur ini dipanggil kekisi kristal.
Kajian struktur kristal
Disebabkan oleh fakta inilah pembelauan sinar-X pada kristal adalah mungkin. Struktur berkala kristal mencipta satah tertentu di dalamnya, di mana terdapat lebih banyak atom daripada arah lain. Kadangkala satah ini ditetapkan oleh simetri kekisi kristal, kadangkala oleh susunan atom bersama. Setiap pesawat diberi nama sendiri. Jarak antara pesawat adalah sangat kecil: mengikut susunan beberapa angstrom (ingat, angstrom ialah 10-10 meter atau 0.1 nanometer).
Walau bagaimanapun, terdapat banyak satah pada arah yang sama dalam mana-mana kristal sebenar, walaupun yang sangat kecil. Difraksi sinar-X sebagai kaedah mengeksploitasi fakta ini: semua gelombang yang telah menukar arah pada satah arah yang sama disimpulkan, memberikan isyarat yang agak jelas pada output. Jadi saintis boleh memahami ke arah mana satah ini terletak di dalam kristal, dan menilai struktur dalaman struktur kristal. Walau bagaimanapun, data ini sahaja tidak mencukupi. Selain sudut kecondongan, anda juga perlu mengetahui jarak antara satah. Tanpa ini, anda boleh mendapatkan beribu-ribu model struktur yang berbeza, tetapi tidak tahu jawapan yang tepat. Cara saintis mengetahui tentang jarak antara pesawat akan dibincangkan di bawah.
Fenomena pembelauan
Kami telah memberikan justifikasi fizikal tentang pembelauan sinar-X pada kekisi ruang kristal. Namun, kami masih belum menjelaskan intipatinyafenomena pembelauan. Jadi, pembelauan ialah pembulatan halangan oleh gelombang (termasuk yang elektromagnet). Fenomena ini nampaknya melanggar undang-undang optik linear, tetapi tidak. Ia berkait rapat dengan sifat gangguan dan gelombang, sebagai contoh, foton. Sekiranya terdapat halangan di jalan cahaya, maka disebabkan oleh pembelauan, foton boleh "melihat" di sudut. Sejauh mana arah cahaya bergerak dari garis lurus bergantung kepada saiz halangan. Lebih kecil halangan, lebih pendek panjang gelombang elektromagnet sepatutnya. Itulah sebabnya pembelauan sinar-X pada kristal tunggal dilakukan menggunakan gelombang pendek sedemikian: jarak antara satah adalah sangat kecil, foton optik tidak akan "merangkak" di antara mereka, tetapi hanya akan dipantulkan dari permukaan.
Konsep sedemikian adalah benar, tetapi dalam sains moden ia dianggap terlalu sempit. Untuk mengembangkan definisinya, serta untuk pengetahuan umum, kami membentangkan kaedah untuk manifestasi pembelauan gelombang.
- Mengubah struktur spatial gelombang. Sebagai contoh, pengembangan sudut perambatan pancaran gelombang, pesongan gelombang atau siri gelombang dalam beberapa arah pilihan. Dalam kelas fenomena inilah gelombang membengkok di sekeliling halangan tergolong.
- Penguraian gelombang menjadi spektrum.
- Perubahan dalam polarisasi gelombang.
- Transformasi struktur fasa gelombang.
Fenomena pembelauan, bersama-sama dengan gangguan, bertanggungjawab untuk fakta bahawa apabila pancaran cahaya diarahkan ke celah sempit di belakangnya, kita tidak melihat satu, tetapi beberapamaksima ringan. Semakin jauh maksimum dari tengah slot, semakin tinggi susunannya. Di samping itu, dengan tetapan eksperimen yang betul, bayang daripada jarum jahit biasa (sudah tentu nipis) dibahagikan kepada beberapa jalur, dan maksimum cahaya diperhatikan betul-betul di belakang jarum, dan bukan minimum.
Formula Wulf-Bragg
Kami telah menyatakan di atas bahawa isyarat akhir ialah jumlah semua foton sinar-X yang dipantulkan dari satah dengan kecenderungan yang sama di dalam kristal. Tetapi satu hubungan penting membolehkan anda mengira struktur dengan tepat. Tanpanya, pembelauan sinar-X tidak akan berguna. Formula Wulf-Bragg kelihatan seperti ini: 2dsinƟ=nλ. Di sini d ialah jarak antara satah dengan sudut kecondongan yang sama, θ ialah sudut pandang (sudut Bragg), atau sudut tuju pada satah, n ialah susunan maksimum pembelauan, λ ialah panjang gelombang. Memandangkan diketahui terlebih dahulu spektrum sinar-X mana yang digunakan untuk mendapatkan data dan pada sudut mana sinaran ini jatuh, formula ini membolehkan kita mengira nilai d. Kami telah mengatakan lebih tinggi sedikit bahawa tanpa maklumat ini adalah mustahil untuk mendapatkan struktur bahan dengan tepat.
Aplikasi moden pembelauan sinar-X
Persoalannya timbul: dalam kes apakah analisis ini diperlukan, bukankah saintis telah meneroka segala-galanya dalam dunia struktur, dan tidakkah orang, apabila memperoleh bahan baru secara asasnya, tidak menganggap hasil apa yang menanti mereka ? Terdapat empat jawapan.
- Ya, kita mengenali planet kita dengan baik. Tetapi setiap tahun mineral baru ditemui. Kadang-kadang struktur mereka adalah sekatateka tanpa x-ray tidak akan berkesan.
- Ramai saintis cuba memperbaiki sifat bahan sedia ada. Bahan-bahan ini tertakluk kepada pelbagai jenis pemprosesan (tekanan, suhu, laser, dll.). Kadangkala elemen ditambah atau dialih keluar daripada strukturnya. Pembelauan sinar-X pada kristal akan membantu memahami penyusunan semula dalaman yang berlaku dalam kes ini.
- Untuk sesetengah aplikasi (cth, media aktif, laser, kad memori, elemen optik sistem pengawasan), kristal mesti dipadankan dengan sangat tepat. Oleh itu, strukturnya disemak menggunakan kaedah ini.
- Pembelauan sinar-X ialah satu-satunya cara untuk mengetahui bilangan dan fasa mana yang diperoleh semasa sintesis dalam sistem berbilang komponen. Unsur seramik teknologi moden boleh menjadi contoh sistem sedemikian. Kehadiran fasa yang tidak diingini boleh membawa kepada akibat yang serius.
Penerokaan angkasa lepas
Ramai orang bertanya: "Mengapa kita memerlukan balai cerap besar di orbit Bumi, mengapa kita memerlukan rover jika manusia masih belum menyelesaikan masalah kemiskinan dan peperangan?"
Setiap orang mempunyai alasan tersendiri untuk menyokong dan menentang, tetapi jelas bahawa manusia mesti mempunyai impian.
Oleh itu, melihat bintang, hari ini kita boleh berkata dengan yakin: kita tahu lebih banyak tentang mereka setiap hari.
X-ray daripada proses yang berlaku di angkasa lepas tidak sampai ke permukaan planet kita, ia diserap oleh atmosfera. Tetapi bahagian iniSpektrum elektromagnet membawa banyak data tentang fenomena tenaga tinggi. Oleh itu, instrumen yang mengkaji sinar-X mesti dibawa keluar dari Bumi, ke orbit. Stesen sedia ada sedang mengkaji objek berikut:
- sisa letupan supernova;
- pusat galaksi;
- bintang neutron;
- lobang hitam;
- perlanggaran objek besar (galaksi, kumpulan galaksi).
Anehnya, mengikut pelbagai projek, akses ke stesen ini disediakan kepada pelajar dan juga pelajar sekolah. Mereka mengkaji sinar-X yang datang dari ruang dalam: pembelauan, gangguan, spektrum menjadi subjek minat mereka. Dan beberapa pengguna muda balai cerap angkasa ini membuat penemuan. Pembaca yang teliti mungkin, sudah tentu, membantah bahawa mereka hanya mempunyai masa untuk melihat gambar resolusi tinggi dan melihat butiran halus. Dan sudah tentu, kepentingan penemuan, sebagai peraturan, hanya difahami oleh ahli astronomi yang serius. Tetapi kes sedemikian memberi inspirasi kepada golongan muda untuk mendedikasikan hidup mereka kepada penerokaan angkasa lepas. Dan matlamat ini patut dikejar.
Oleh itu, pencapaian Wilhelm Conrad Roentgen membuka akses kepada pengetahuan cemerlang dan keupayaan untuk menakluk planet lain.
