Dieser Artikel enthält eine Beschreibung von so etwas wie Röntgenbeugung. Die physikalischen Grundlagen dieses Phänomens und seine Anwendungen werden hier erklärt.
Technologien zur Herstellung neuer Materialien
Innovation, Nanotechnologie ist der Trend der modernen Welt. Die Nachrichten sind voll von Berichten über neue revolutionäre Materialien. Aber nur wenige Menschen denken darüber nach, was für ein riesiger Forschungsapparat Wissenschaftler brauchen, um zumindest eine kleine Verbesserung bestehender Technologien zu schaffen. Eines der grundlegenden Phänomene, das Menschen dabei hilft, ist die Röntgenbeugung.
Elektromagnetische Strahlung
Zunächst musst du erklären, was elektromagnetische Strahlung ist. Jeder sich bewegende geladene Körper erzeugt um sich herum ein elektromagnetisches Feld. Diese Felder durchdringen alles um uns herum, selbst das Vakuum des Weltraums ist nicht frei von ihnen. Treten in einem solchen Feld periodische Störungen auf, die sich im Raum ausbreiten können, spricht man von elektromagnetischer Strahlung. Um es zu beschreiben, werden Konzepte wie Wellenlänge, Frequenz und ihre Energie verwendet. Was Energie ist, ist intuitiv, und die Wellenlänge ist der Abstand zwischen ihnenidentische Phasen (z. B. zwischen zwei benachbarten Maxima). Je höher die Wellenlänge (und dementsprechend die Frequenz), desto geringer ist ihre Energie. Denken Sie daran, dass diese Konzepte notwendig sind, um kurz und prägnant zu beschreiben, was Röntgenbeugung ist.
Elektromagnetisches Spektrum
Alle Arten von elektromagnetischen Strahlen passen in eine spezielle Skala. Je nach Wellenlänge unterscheiden sie (von der längsten zur kürzesten):
- Radiowellen;
- Terahertzwellen;
- Infrarotwellen;
- sichtbare Wellen;
- Ultraviolettwellen;
- Röntgenwellen;
- Gammastrahlung.
Daher hat die uns interessierende Strahlung eine sehr kurze Wellenlänge und die höchsten Energien (weshalb sie manchmal als hart bezeichnet wird). Daher nähern wir uns der Beschreibung dessen, was Röntgenbeugung ist.
Der Ursprung der Röntgenstrahlen
Je höher die Strahlungsenergie ist, desto schwieriger ist es, sie künstlich zu gewinnen. Nachdem eine Person ein Feuer gemacht hat, erhält sie viel Infrarotstrahlung, weil sie Wärme überträgt. Doch damit es zur Beugung von Röntgenstrahlen an räumlichen Strukturen kommt, muss viel Aufwand betrieben werden. Diese elektromagnetische Strahlung wird also freigesetzt, wenn ein Elektron aus der kernnahen Hülle eines Atoms herausgeschlagen wird. Die darüber befindlichen Elektronen neigen dazu, das entstehende Loch, ihre Übergänge und Röntgenphotonen zu füllen. Auch beim starken Abbremsen geladener Teilchen mit Masse (z. B. Elektronen) werden diese hochenergetischen Strahlen erzeugt. So ist die Beugung von Röntgenstrahlen an einem Kristallgitter mit einem ziemlich hohen Energieaufwand verbunden.
Im industriellen Maßstab wird diese Strahlung wie folgt gewonnen:
- Die Kathode gibt ein hochenergetisches Elektron ab.
- Elektron kollidiert mit dem Material der Anode.
- Das Elektron wird stark abgebremst (während es Röntgenstrahlen aussendet).
- In einem anderen Fall schlägt das abbremsende Teilchen ein Elektron aus der niedrigen Umlaufbahn des Atoms aus dem Anodenmaterial, wodurch ebenfalls Röntgenstrahlen erzeugt werden.
Man muss auch verstehen, dass Röntgenstrahlen wie jede andere elektromagnetische Strahlung ihr eigenes Spektrum haben. Diese Strahlung selbst wird ziemlich weit verbreitet verwendet. Jeder weiß, dass mit Hilfe von Röntgenstrahlen nach einem Knochenbruch oder einem Tumor in der Lunge gesucht wird.
Struktur einer kristallinen Substanz
Nun nähern wir uns der Röntgenbeugungsmethode. Dazu muss erklärt werden, wie ein Festkörper angeordnet ist. In der Wissenschaft wird ein fester Körper jede Substanz in einem kristallinen Zustand genannt. Holz, Ton oder Glas sind massiv, aber ihnen fehlt vor allem die periodische Struktur. Aber Kristalle haben diese erstaunliche Eigenschaft. Schon der Name dieses Phänomens enthält seine Essenz. Zuerst müssen Sie verstehen, dass die Atome im Kristall starr fixiert sind. Die Bindungen zwischen ihnen haben ein gewisses Maß an Elastizität, aber sie sind zu stark, als dass sich Atome darin bewegen könnten. Gitter. Solche Episoden sind möglich, aber mit einem sehr starken äußeren Einfluss. Wenn beispielsweise ein Metallkristall gebogen wird, entstehen darin Punktdefekte verschiedener Art: An einigen Stellen verlässt das Atom seinen Platz und bildet eine Leerstelle, an anderen bewegt es sich an die falschen Positionen und bildet einen Zwischengitterdefekt. An der Krümmungsstelle verliert der Kristall seine schlanke Kristallstruktur, wird sehr defekt, locker. Verwenden Sie daher besser keine einmal aufgebogene Büroklammer, da das Metall seine Eigenschaften verloren hat.
Sind die Atome starr fixiert, können sie nicht mehr zufällig zueinander angeordnet werden, wie in Flüssigkeiten. Sie müssen sich so organisieren, dass die Energie ihrer Interaktion minimiert wird. Die Atome ordnen sich also in einem Gitter an. In jedem Gitter befindet sich eine minimale Menge von Atomen, die in besonderer Weise im Raum angeordnet sind - dies ist die Elementarzelle des Kristalls. Wenn wir es vollständig senden, dh die Kanten miteinander kombinieren und uns in eine beliebige Richtung verschieben, erh alten wir den gesamten Kristall. Es sei jedoch daran erinnert, dass dies ein Modell ist. Jeder echte Kristall hat Defekte, und es ist fast unmöglich, eine absolut genaue Übersetzung zu erreichen. Moderne Silizium-Speicherzellen kommen idealen Kristallen nahe. Um sie zu erh alten, sind jedoch unglaubliche Mengen an Energie und anderen Ressourcen erforderlich. Im Labor erh alten Wissenschaftler perfekte Strukturen verschiedenster Art, deren Erstellung jedoch in der Regel mit zu hohen Kosten verbunden ist. Aber wir gehen davon aus, dass alle Kristalle ideal sind: in jedemRichtung, werden die gleichen Atome in den gleichen Abständen voneinander angeordnet sein. Diese Struktur nennt man Kristallgitter.
Studium der Kristallstruktur
Aufgrund dieser Tatsache ist Röntgenbeugung an Kristallen möglich. Die periodische Struktur von Kristallen erzeugt in ihnen bestimmte Ebenen, in denen sich mehr Atome befinden als in anderen Richtungen. Manchmal werden diese Ebenen durch die Symmetrie des Kristallgitters festgelegt, manchmal durch die gegenseitige Anordnung von Atomen. Jedem Flugzeug ist eine eigene Bezeichnung zugeordnet. Die Abstände zwischen den Ebenen sind sehr gering: in der Größenordnung von mehreren Angström (zur Erinnerung, ein Angström ist 10-10 Meter oder 0,1 Nanometer).
Jedoch gibt es in jedem echten Kristall, selbst in einem sehr kleinen, viele Ebenen derselben Richtung. Die Röntgenbeugung als Methode macht sich diese Tatsache zunutze: Alle Wellen, die auf Ebenen gleicher Richtung ihre Richtung geändert haben, werden aufsummiert, was am Ausgang ein ziemlich klares Signal ergibt. So können Wissenschaftler verstehen, in welchen Richtungen sich diese Ebenen im Kristall befinden, und die innere Struktur der Kristallstruktur beurteilen. Diese Daten allein reichen jedoch nicht aus. Neben dem Neigungswinkel müssen Sie auch den Abstand zwischen den Ebenen kennen. Ohne dies können Sie Tausende von verschiedenen Modellen der Struktur erh alten, kennen aber die genaue Antwort nicht. Wie Wissenschaftler etwas über die Entfernung zwischen den Flugzeugen erfahren, wird weiter unten besprochen.
Beugungsphänomen
Wir haben bereits eine physikalische Begründung dafür gegeben, was Röntgenbeugung am räumlichen Gitter von Kristallen ist. Das Wesentliche haben wir jedoch noch nicht erklärtBeugungsphänomene. Beugung ist also die Abrundung von Hindernissen durch Wellen (einschließlich elektromagnetischer). Dieses Phänomen scheint eine Verletzung des Gesetzes der linearen Optik zu sein, ist es aber nicht. Sie steht in engem Zusammenhang mit den Interferenz- und Welleneigenschaften beispielsweise von Photonen. Steht dem Licht ein Hindernis im Weg, können Photonen durch Beugung um die Ecke „schauen“. Wie weit die Lichtrichtung von einer geraden Linie entfernt ist, hängt von der Größe des Hindernisses ab. Je kleiner das Hindernis, desto kürzer sollte die elektromagnetische Wellenlänge sein. Deshalb wird die Röntgenbeugung an Einkristallen mit so kurzen Wellen durchgeführt: Der Abstand zwischen den Ebenen ist sehr gering, optische Photonen „kriechen“einfach nicht zwischen ihnen hindurch, sondern werden nur von der Oberfläche reflektiert.
Ein solches Konzept ist wahr, aber in der modernen Wissenschaft wird es als zu eng angesehen. Zur Erweiterung seiner Definition sowie zur allgemeinen Gelehrsamkeit stellen wir Methoden zur Manifestation der Wellenbeugung vor.
- Veränderung der räumlichen Struktur von Wellen. Beispielsweise die Aufweitung des Ausbreitungswinkels eines Wellenbündels, die Ablenkung einer Welle oder einer Reihe von Wellen in eine Vorzugsrichtung. Zu dieser Klasse von Phänomenen gehört die Wellenkrümmung um Hindernisse herum.
- Zerlegung von Wellen in ein Spektrum.
- Änderung der Wellenpolarisation.
- Umwandlung der Phasenstruktur von Wellen.
Das Phänomen der Beugung ist zusammen mit der Interferenz dafür verantwortlich, dass wir, wenn ein Lichtstrahl auf einen schmalen Schlitz dahinter gerichtet wird, nicht einen, sondern mehrere sehenleichte Maxima. Je weiter das Maximum von der Mitte des Slots entfernt ist, desto höher ist seine Ordnung. Außerdem wird bei richtiger Einstellung des Experiments der Schatten einer gewöhnlichen Nähnadel (natürlich dünn) in mehrere Streifen unterteilt, und das Lichtmaximum wird genau hinter der Nadel beobachtet und nicht das Minimum.
Wulf-Bragg-Formel
Wir haben oben bereits gesagt, dass das endgültige Signal die Summe aller Röntgenphotonen ist, die von Ebenen mit gleicher Neigung innerhalb des Kristalls reflektiert werden. Aber eine wichtige Beziehung ermöglicht es Ihnen, die Struktur genau zu berechnen. Ohne sie wäre die Röntgenbeugung nutzlos. Die Wulf-Bragg-Formel sieht so aus: 2dsinƟ=nλ. Dabei ist d der Abstand zwischen Ebenen mit gleichem Neigungswinkel, θ der Glanzwinkel (Bragg-Winkel) oder der Einfallswinkel auf die Ebene, n die Ordnung des Beugungsmaximums, λ die Wellenlänge. Da im Voraus bekannt ist, welches Röntgenspektrum verwendet wird, um Daten zu erh alten, und in welchem Winkel diese Strahlung einfällt, ermöglicht uns diese Formel, den Wert von d zu berechnen. Wir haben bereits etwas weiter oben gesagt, dass es ohne diese Informationen unmöglich ist, die Struktur einer Substanz genau zu erh alten.
Moderne Anwendung der Röntgenbeugung
Es stellt sich die Frage: In welchen Fällen braucht es diese Analyse, haben die Wissenschaftler nicht schon alles in der Welt der Struktur erforscht, und gehen die Menschen bei der Gewinnung grundlegend neuer Substanzen nicht davon aus, was für ein Ergebnis sie erwartet? ? Es gibt vier Antworten.
- Ja, wir haben unseren Planeten ziemlich gut kennengelernt. Aber jedes Jahr werden neue Mineralien gefunden. Manchmal ist ihre Struktur gleichmäßigRaten ohne Röntgen wird nicht funktionieren.
- Viele Wissenschaftler versuchen, die Eigenschaften bereits existierender Materialien zu verbessern. Diese Stoffe werden verschiedenen Bearbeitungsarten (Druck, Temperatur, Laser etc.) unterzogen. Manchmal werden Elemente zu ihrer Struktur hinzugefügt oder daraus entfernt. Röntgenbeugung an Kristallen hilft zu verstehen, welche internen Umlagerungen in diesem Fall aufgetreten sind.
- Für einige Anwendungen (z. B. aktive Medien, Laser, Speicherkarten, optische Elemente von Überwachungssystemen) müssen Kristalle sehr genau aufeinander abgestimmt werden. Daher wird ihre Struktur mit dieser Methode überprüft.
- Röntgenbeugung ist die einzige Möglichkeit herauszufinden, wie viele und welche Phasen bei der Synthese in Mehrkomponentensystemen erh alten wurden. Als Beispiel für solche Systeme können keramische Elemente der modernen Technologie dienen. Das Vorhandensein unerwünschter Phasen kann schwerwiegende Folgen haben.
Weltraumforschung
Viele Leute fragen: "Warum brauchen wir riesige Observatorien in der Erdumlaufbahn, warum brauchen wir einen Rover, wenn die Menschheit die Probleme von Armut und Krieg noch nicht gelöst hat?"
Jeder hat seine eigenen Gründe dafür und dagegen, aber es ist klar, dass die Menschheit einen Traum haben muss.
Daher können wir beim Blick auf die Sterne heute mit Zuversicht sagen: Wir wissen jeden Tag mehr und mehr über sie.
Röntgenstrahlen von im Weltraum ablaufenden Prozessen erreichen nicht die Oberfläche unseres Planeten, sie werden von der Atmosphäre absorbiert. Aber dieser TeilDas elektromagnetische Spektrum enthält viele Daten über hochenergetische Phänomene. Daher müssen Instrumente, die Röntgenstrahlen untersuchen, aus der Erde in den Orbit gebracht werden. Derzeit existierende Stationen untersuchen die folgenden Objekte:
- Überreste von Supernova-Explosionen;
- Zentren von Galaxien;
- Neutronensterne;
- Schwarze Löcher;
- Kollisionen massereicher Objekte (Galaxien, Galaxiengruppen).
Überraschenderweise wird laut verschiedenen Projekten der Zugang zu diesen Stationen Studenten und sogar Schulkindern ermöglicht. Sie untersuchen Röntgenstrahlen aus dem Weltraum: Beugung, Interferenz, Spektrum werden zum Gegenstand ihres Interesses. Und einige sehr junge Nutzer dieser Weltraumobservatorien machen Entdeckungen. Ein aufmerksamer Leser mag natürlich einwenden, dass er gerade Zeit hat, hochauflösende Bilder zu betrachten und subtile Details wahrzunehmen. Und natürlich wird die Bedeutung von Entdeckungen in der Regel nur von ernsthaften Astronomen verstanden. Aber solche Fälle inspirieren junge Menschen, ihr Leben der Weltraumforschung zu widmen. Und dieses Ziel ist es wert, verfolgt zu werden.
So eröffneten die Leistungen von Wilhelm Conrad Roentgen den Zugang zu stellarem Wissen und die Fähigkeit, andere Planeten zu erobern.
