Энэ нийтлэлд рентген туяаны дифракц гэх мэт зүйлийн тайлбар багтсан болно. Энэ үзэгдлийн физик үндэс ба түүний хэрэглээг энд тайлбарласан болно.
Шинэ материал бүтээх технологи
Инноваци, нано технологи нь орчин үеийн ертөнцийн чиг хандлага юм. Мэдээ нь хувьсгалт шинэ материалуудын мэдээгээр дүүрэн байдаг. Гэхдээ одоо байгаа технологид бага ч гэсэн сайжруулалтыг бий болгохын тулд эрдэмтэд ямар асар том судалгааны аппарат хэрэгтэй вэ гэж цөөхөн хүн боддог. Хүмүүст үүнийг хийхэд тусалдаг үндсэн үзэгдлүүдийн нэг бол рентген туяаны дифракци юм.
Цахилгаан соронзон цацраг
Эхлээд цахилгаан соронзон цацраг гэж юу болохыг тайлбарлах хэрэгтэй. Аливаа хөдөлгөөнт цэнэгтэй бие нь эргэн тойронд цахилгаан соронзон орон үүсгэдэг. Эдгээр талбайнууд эргэн тойрон дахь бүх зүйлийг хамардаг, тэр ч байтугай гүн орон зайн вакуум ч тэдгээрээс ангид байдаггүй. Хэрэв ийм талбайд орон зайд тархах боломжтой үе үе цочрол үүсдэг бол тэдгээрийг цахилгаан соронзон цацраг гэж нэрлэдэг. Үүнийг тодорхойлохын тулд долгионы урт, давтамж, түүний энерги гэх мэт ойлголтуудыг ашигладаг. Эрчим хүч гэж юу вэ гэхээр зөн совинтой, долгионы урт нь хоорондын зай юмижил үе шатууд (жишээлбэл, хоёр зэргэлдээх дээд хязгаарын хооронд). Долгионы урт (мөн үүний дагуу давтамж) өндөр байх тусам түүний энерги бага байх болно. Эдгээр ойлголтууд нь рентген туяаны дифракц гэж юу болохыг товч бөгөөд товч тайлбарлахад зайлшгүй шаардлагатай гэдгийг санаарай.
Цахилгаан соронзон спектр
Бүх төрлийн цахилгаан соронзон туяа нь тусгай масштаб дээр таардаг. Долгионы уртаас хамааран тэд ялгадаг (хамгийн уртаас богино хүртэл):
- радио долгион;
- терагерц долгион;
- хэт улаан туяаны долгион;
- үзэгдэх долгион;
- хэт ягаан туяа;
- Рентген долгион;
- гамма цацраг.
Тиймээс бидний сонирхож буй цацраг нь маш богино долгионы урттай, хамгийн их энергитэй байдаг (тиймээс үүнийг заримдаа хатуу гэж нэрлэдэг). Тиймээс бид рентген туяаны дифракц гэж юу болохыг тайлбарлахад ойртож байна.
Рентген туяаны гарал үүсэл
Цацрагийн энерги их байх тусам түүнийг зохиомлоор олж авахад хэцүү байдаг. Гал гаргасны дараа хүн хэт улаан туяаны цацрагийг их хэмжээгээр авдаг, учир нь энэ нь дулааныг дамжуулдаг. Гэхдээ орон зайн бүтцээр рентген туяаны дифракц үүсэхийн тулд маш их хүчин чармайлт гаргах хэрэгтэй. Тиймээс цөмийн ойролцоо байрладаг атомын бүрхүүлээс электроныг таслах үед ийм төрлийн цахилгаан соронзон цацраг ялгардаг. Дээр байрлах электронууд үүссэн нүх, тэдгээрийн шилжилтийг дүүргэж, рентген фотоныг өгөх хандлагатай байдаг. Мөн масстай цэнэгтэй бөөмсийг огцом удаашруулах үед (жишээлбэл,электрон), эдгээр өндөр энергитэй цацрагууд үүсдэг. Тиймээс болор тор дээрх рентген туяаны дифракц нь нэлээд их хэмжээний энерги зарцуулагддаг.
Аж үйлдвэрийн хэмжээнд энэ цацрагийг дараах байдлаар авна:
- Катод нь өндөр энергитэй электрон ялгаруулдаг.
- Электрон нь анодын материалтай мөргөлддөг.
- Электрон огцом удааширдаг (рентген туяа ялгаруулах үед).
- Өөр тохиолдолд удаашруулж буй бөөмс нь анодын материалаас атомын доод тойрог замаас электроныг гаргаснаар рентген туяа үүсгэдэг.
Бусад цахилгаан соронзон цацрагийн нэгэн адил рентген туяа нь өөрийн гэсэн спектртэй гэдгийг ойлгох хэрэгтэй. Энэ цацраг нь өөрөө нэлээд өргөн хэрэглэгддэг. Яс хугарсан эсвэл уушгинд бөөгнөрөл байгаа эсэхийг рентген зургийн тусламжтайгаар илрүүлдэг гэдгийг хүн бүр мэддэг.
Кристал бодисын бүтэц
Одоо бид рентген туяаны дифракцийн арга гэж юу болох талаар ойртож байна. Үүнийг хийхийн тулд хатуу биет хэрхэн зохион байгуулагдсаныг тайлбарлах шаардлагатай. Шинжлэх ухаанд хатуу биетийг талст төлөвт байгаа аливаа бодис гэж нэрлэдэг. Мод, шавар эсвэл шил нь хатуу, гэхдээ тэдгээрт гол зүйл дутагдаж байна: үечилсэн бүтэц. Гэхдээ талстууд ийм гайхалтай шинж чанартай байдаг. Энэ үзэгдлийн нэр нь түүний мөн чанарыг агуулдаг. Эхлээд та болор дахь атомууд хатуу бэхлэгдсэн гэдгийг ойлгох хэрэгтэй. Тэдгээрийн хоорондох холбоо нь тодорхой хэмжээний уян хатан чанартай боловч атомууд дотор нь шилжихэд хэтэрхий хүчтэй байдаг.сараалжтай. Ийм тохиолдлууд боломжтой боловч гадны нөлөө маш хүчтэй байдаг. Жишээлбэл, металл болор нугалж байвал түүний дотор янз бүрийн хэлбэрийн цэгийн согогууд үүсдэг: зарим газарт атом байраа орхиж, сул орон зай үүсгэдэг, зарим нь буруу байрлалд шилжиж, завсрын гажиг үүсгэдэг. Гулзайлтын газарт болор нь нарийхан талст бүтэцээ алдаж, маш гажигтай, сул болдог. Иймд металл шинж чанараа алдсан тул нэг удаа нугараагүй цаасны хавчаарыг хэрэглэхгүй байх нь дээр.
Хэрэв атомууд хатуу тогтсон бол тэдгээрийг шингэн зүйл шиг санамсаргүй байдлаар бие биенээсээ хамааруулж болохгүй. Тэд харилцан үйлчлэлийн эрч хүчийг хамгийн бага байлгах үүднээс өөрсдийгөө зохион байгуулах ёстой. Тиймээс атомууд торонд эгнэж байрлана. Тор бүрт сансар огторгуйд тусгай байдлаар байрлуулсан атомуудын хамгийн бага багц байдаг - энэ бол болорын элементийн эс юм. Хэрэв бид үүнийг бүхэлд нь цацаж, өөрөөр хэлбэл ирмэгийг бие биентэйгээ нэгтгэж, ямар ч чиглэлд шилжүүлбэл бид талстыг бүхэлд нь авах болно. Гэсэн хэдий ч энэ бол загвар гэдгийг санах нь зүйтэй. Аливаа жинхэнэ болор нь согогтой байдаг тул үнэн зөв орчуулгад хүрэх нь бараг боломжгүй юм. Орчин үеийн цахиурын санах ойн эсүүд нь хамгийн тохиромжтой талстуудтай ойролцоо байдаг. Гэсэн хэдий ч тэдгээрийг олж авахын тулд гайхалтай их хэмжээний эрчим хүч болон бусад нөөцийг шаарддаг. Лабораторид эрдэмтэд янз бүрийн төрлийн төгс бүтцийг олж авдаг боловч дүрмээр бол тэдгээрийг бүтээх зардал хэт өндөр байдаг. Гэхдээ бид бүх талстыг хамгийн тохиромжтой гэж үзэх болно: аль ч тохиолдолдчиглэлд ижил атомууд бие биенээсээ ижил зайд байрлана. Энэ бүтцийг болор тор гэж нэрлэдэг.
Болор бүтцийг судлах
Энэ нь талстууд дээр рентген туяаны дифракц үүсэх боломжтой байдагтай холбоотой юм. Кристалуудын үечилсэн бүтэц нь тэдгээрт тодорхой хавтгайг үүсгэдэг бөгөөд тэдгээрт бусад чиглэлээс илүү атомууд байдаг. Заримдаа эдгээр хавтгай нь болор торны тэгш хэмээр, заримдаа атомуудын харилцан зохицуулалтаар тогтоогддог. Онгоц бүр өөрийн гэсэн тэмдэглэгээг өгдөг. Онгоцны хоорондох зай нь маш бага: хэд хэдэн ангстромын дарааллаар (санаж байна уу, ангстром нь 10-10 метр буюу 0.1 нанометр).
Гэсэн хэдий ч маш жижиг ч гэсэн ямар ч бодит талст дээр ижил чиглэлтэй олон хавтгай байдаг. Рентген цацрагийн дифракцийн арга нь энэ баримтыг ашигладаг: нэг чиглэлийн хавтгайд чиглэлээ өөрчилсөн бүх долгионыг нэгтгэн гаралт дээр нэлээд тодорхой дохио өгдөг. Тиймээс эрдэмтэд эдгээр онгоцууд болор дотор ямар чиглэлд байрлаж байгааг ойлгож, болор бүтцийн дотоод бүтцийг шүүж чадна. Гэсэн хэдий ч эдгээр өгөгдөл дангаараа хангалттай биш юм. Налуу өнцгөөс гадна онгоцны хоорондох зайг мэдэх хэрэгтэй. Үүнгүйгээр та бүтцийн олон мянган янз бүрийн загварыг авч болно, гэхдээ яг хариултыг мэдэхгүй байна. Онгоц хоорондын зайг эрдэмтэд хэрхэн олж мэдсэнийг доор хэлэлцэх болно.
Дифракцийн үзэгдэл
Кристалуудын орон зайн торонд рентген туяаны дифракц гэж юу болох тухай физик үндэслэлийг бид аль хэдийн өгсөн. Гэсэн хэдий ч бид мөн чанарыг тайлбарлаагүй байнадифракцийн үзэгдлүүд. Тиймээс дифракц гэдэг нь саадыг долгионоор (цахилгаан соронзон гэх мэт) дугуйруулдаг. Энэ үзэгдэл нь шугаман оптикийн хуулийг зөрчсөн мэт боловч тийм биш юм. Энэ нь жишээ нь фотонуудын интерференц ба долгионы шинж чанартай нягт холбоотой. Хэрэв гэрлийн замд саад бэрхшээл тулгарвал дифракцийн улмаас фотонууд буланг тойрон "харж" чаддаг. Шулуун шугамаас гэрлийн чиглэл хэр хол явах нь саадын хэмжээнээс хамаарна. Саад бэрхшээл бага байх тусам цахилгаан соронзон долгионы урт богино байх ёстой. Тийм ч учраас дан талстууд дээрх рентген туяаны дифракцыг ийм богино долгион ашиглан хийдэг: хавтгай хоорондын зай маш бага, оптик фотонууд тэдгээрийн хооронд "мөлхөхгүй", зөвхөн гадаргуугаас тусгах болно.
Ийм ойлголт үнэн боловч орчин үеийн шинжлэх ухаанд хэт явцуу гэж үздэг. Түүний тодорхойлолт, түүнчлэн ерөнхий мэдлэгийн хувьд бид долгионы дифракцийн илрэлийн аргуудыг танилцуулж байна.
- Долгионы орон зайн бүтцийг өөрчлөх. Жишээлбэл, долгионы цацрагийн тархалтын өнцгийн тэлэлт, долгионы хазайлт эсвэл хэд хэдэн долгионы аль нэг сонгосон чиглэлд. Саад тотгорыг тойрон эргэлдэх долгион нь энэ ангиллын үзэгдлүүдэд хамаарна.
- Долгоог спектр болгон задлах.
- Долгионы туйлшралын өөрчлөлт.
- Долгионуудын фазын бүтцийн өөрчлөлт.
Дифракцийн үзэгдэл нь интерференцтэй хамт гэрлийн туяа түүний ард байгаа нарийхан ангархай руу чиглэхэд бид нэг биш, хэд хэдэн зүйлийг хардаг.гэрлийн дээд хэмжээ. Слотын дундаас дээд тал нь хол байх тусам түүний дараалал өндөр байна. Нэмж дурдахад, туршилтыг зөв тохируулснаар энгийн оёдлын зүүний сүүдэр (мэдээж нимгэн) хэд хэдэн зураасанд хуваагддаг бөгөөд хамгийн багадаа биш харин зүүний яг ард гэрлийн дээд тал ажиглагддаг.
Вулф-Браггийн томьёо
Төгсгөлийн дохио нь болор доторх ижил налуутай хавтгайгаас туссан бүх рентген фотонуудын нийлбэр гэдгийг бид дээр хэлсэн. Гэхдээ нэг чухал харилцаа нь бүтцийг зөв тооцоолох боломжийг олгодог. Үүнгүйгээр рентген туяаны дифракц нь ашиггүй болно. Вульф-Браггийн томъёо дараах байдалтай байна: 2dsinƟ=nλ. Энд d нь ижил налуу өнцөгтэй онгоц хоорондын зай, θ нь харцын өнцөг (Браггийн өнцөг) эсвэл хавтгайд тусах өнцөг, n нь дифракцийн максимумын дараалал, λ нь долгионы урт юм. Мэдээлэл авахын тулд ямар рентген спектр ашигладаг, энэ цацраг ямар өнцгөөр унах нь урьдчилан мэдэгдэж байгаа тул энэ томъёо нь d-ийн утгыг тооцоолох боломжийг бидэнд олгодог. Энэ мэдээлэлгүйгээр бодисын бүтцийг нарийн олж авах боломжгүй гэдгийг бид өмнө нь арай дээр хэлсэн.
Рентген туяаны дифракцийн орчин үеийн хэрэглээ
Асуулт гарч ирнэ: ямар тохиолдолд ийм шинжилгээ хийх шаардлагатай вэ, эрдэмтэд бүтцийн ертөнцийн бүх зүйлийг аль хэдийн судалж үзээгүй гэж үү, мөн хүмүүс цоо шинэ бодис олж авахдаа тэднийг ямар үр дүн хүлээж байгааг төсөөлдөггүй гэж үү? ? Дөрвөн хариулт байна.
- Тийм ээ, бид эх дэлхийгээ маш сайн мэддэг болсон. Гэвч жил бүр шинэ ашигт малтмал олддог. Заримдаа тэдний бүтэц жигд байдагРентген туяагүйгээр таамаглах нь ажиллахгүй.
- Олон эрдэмтэд аль хэдийн байгаа материалын шинж чанарыг сайжруулахыг хичээж байна. Эдгээр бодисууд нь янз бүрийн төрлийн боловсруулалтанд (даралт, температур, лазер гэх мэт) өртдөг. Заримдаа элементүүдийг бүтцэд нь нэмж эсвэл хасдаг. Кристалууд дээрх рентген туяаны дифракц нь энэ тохиолдолд ямар дотоод зохицуулалт үүссэнийг ойлгоход тусална.
- Зарим хэрэглээний хувьд (жишээ нь, идэвхтэй зөөвөрлөгч, лазер, санах ойн карт, хяналтын системийн оптик элементүүд) талстууд маш нарийн таарч байх ёстой. Тиймээс тэдгээрийн бүтцийг энэ аргыг ашиглан шалгадаг.
- Рентген цацрагийн дифракц нь олон бүрэлдэхүүн хэсэгтэй систем дэх синтезийн явцад хичнээн, аль фазыг олж авсныг олж мэдэх цорын ганц арга юм. Орчин үеийн технологийн керамик элементүүд нь ийм системийн жишээ болж чадна. Хүсээгүй үе шатууд байгаа нь ноцтой үр дагаварт хүргэж болзошгүй.
Сансрын хайгуул
Олон хүмүүс: "Дэлхийн тойрог замд асар том ажиглалтын төвүүд яагаад хэрэгтэй байна вэ, хэрэв хүн төрөлхтөн ядуурал, дайны асуудлыг шийдэж амжаагүй байгаа бол яагаад бидэнд ровер хэрэгтэй байна вэ?"
Хүн болгонд өөр өөрийн гэсэн шалтгаан байдаг ч хүн төрөлхтөн мөрөөдөлтэй байх нь ойлгомжтой.
Тиймээс бид өнөөдөр оддыг хараад итгэлтэйгээр хэлж чадна: бид тэдний талаар өдөр бүр илүү ихийг мэддэг.
Сансар огторгуйд болж буй үйл явцын рентген туяа нь манай гаригийн гадаргууд хүрдэггүй, агаар мандалд шингэдэг. Гэхдээ энэ хэсэгЦахилгаан соронзон спектр нь өндөр энергитэй үзэгдлийн талаар маш их мэдээлэл агуулдаг. Тиймээс рентген туяаг судалдаг багажийг дэлхийгээс гаргаж, тойрог замд оруулах ёстой. Одоо байгаа станцууд дараах объектуудыг судалж байна:
- суперновагийн дэлбэрэлтийн үлдэгдэл;
- галактикийн төвүүд;
- нейтрон од;
- хар нүх;
- асар том биетүүдийн мөргөлдөөн (галактик, галактикийн бүлэг).
Гайхалтай нь янз бүрийн төслүүдийн дагуу оюутнууд, тэр байтугай сургуулийн сурагчдад эдгээр станц руу нэвтрэх боломжийг олгодог. Тэд сансар огторгуйгаас ирж буй рентген туяаг судалдаг: дифракц, интерференц, спектр нь тэдний сонирхлын сэдэв болдог. Мөн эдгээр сансрын ажиглалтын газруудын маш залуу хэрэглэгчид нээлт хийж байна. Мэдээжийн хэрэг нягт нямбай уншигч зөвхөн өндөр нарийвчлалтай зургуудыг үзэж, нарийн ширийн зүйлийг анзаарах цагтай гэж эсэргүүцэж магадгүй юм. Мэдээжийн хэрэг нээлтийн ач холбогдлыг дүрмээр бол зөвхөн ноцтой одон орон судлаачид ойлгодог. Гэвч иймэрхүү тохиолдлууд залуучуудыг сансар огторгуйн эрэл хайгуулд зориулах урам зориг өгдөг. Мөн энэ зорилгод хүрэх нь зүйтэй.
Тиймээс Вильгельм Конрад Рентгений ололт амжилт нь оддын мэдлэг болон бусад гаригуудыг байлдан дагуулах боломжийг нээж өгсөн.
