Naglalaman ang artikulong ito ng paglalarawan ng bagay tulad ng X-ray diffraction. Ang pisikal na batayan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito at ang mga aplikasyon nito ay ipinaliwanag dito.
Mga teknolohiya para sa paglikha ng mga bagong materyales
Innovation, nanotechnology ang trend ng modernong mundo. Ang balita ay puno ng mga ulat ng mga bagong rebolusyonaryong materyales. Ngunit ilang mga tao ang nag-iisip tungkol sa kung ano ang kailangan ng isang malaking research apparatus na mga siyentipiko na lumikha ng hindi bababa sa isang maliit na pagpapabuti sa mga umiiral na teknolohiya. Isa sa mga pangunahing phenomena na tumutulong sa mga tao na gawin ito ay ang X-ray diffraction.
Electromagnetic radiation
Una kailangan mong ipaliwanag kung ano ang electromagnetic radiation. Ang anumang gumagalaw na naka-charge na katawan ay bumubuo ng isang electromagnetic field sa paligid nito. Ang mga patlang na ito ay lumaganap sa lahat ng bagay sa paligid, kahit na ang vacuum ng malalim na espasyo ay hindi malaya sa kanila. Kung sa ganoong larangan ay may mga panaka-nakang perturbations na maaaring magpalaganap sa kalawakan, ang mga ito ay tinatawag na electromagnetic radiation. Upang ilarawan ito, ginagamit ang mga konsepto tulad ng wavelength, frequency at enerhiya nito. Ano ang enerhiya ay intuitive, at ang wavelength ay ang distansya sa pagitanmagkaparehong mga yugto (halimbawa, sa pagitan ng dalawang katabing maxima). Kung mas mataas ang wavelength (at, nang naaayon, ang dalas), mas mababa ang enerhiya nito. Alalahanin na ang mga konseptong ito ay kinakailangan upang ilarawan kung ano ang X-ray diffraction nang maikli at maikli.
Electromagnetic spectrum
Lahat ng iba't ibang electromagnetic ray ay magkasya sa isang espesyal na sukat. Depende sa wavelength, nakikilala nila (mula sa pinakamahaba hanggang sa pinakamaikling):
- radio waves;
- terahertz waves;
- infrared waves;
- nakikitang alon;
- ultraviolet waves;
- X-ray waves;
- gamma radiation.
Kaya, ang radiation na kinaiinteresan natin ay may napakaikling wavelength at may pinakamataas na enerhiya (kaya naman kung minsan ay tinatawag itong hard). Samakatuwid, papalapit na tayo sa paglalarawan kung ano ang X-ray diffraction.
Ang pinagmulan ng X-ray
Kung mas mataas ang radiation energy, mas mahirap makuha ito nang artipisyal. Ang pagkakaroon ng sunog, ang isang tao ay tumatanggap ng maraming infrared radiation, dahil ito ang naglilipat ng init. Ngunit para mangyari ang diffraction ng X-ray sa pamamagitan ng spatial structures, kailangang gumawa ng maraming pagsisikap. Kaya, ang ganitong uri ng electromagnetic radiation ay inilabas kapag ang isang electron ay na-knock out sa shell ng isang atom, na malapit sa nucleus. Ang mga electron na matatagpuan sa itaas ay may posibilidad na punan ang nagresultang butas, ang kanilang mga transition at nagbibigay ng X-ray photon. Gayundin, sa panahon ng matalim na pagbabawas ng bilis ng mga sisingilin na particle na may masa (halimbawa,electron), ang mga high-energy beam na ito ay ginawa. Kaya, ang diffraction ng X-ray sa isang kristal na sala-sala ay sinamahan ng paggasta ng medyo malaking halaga ng enerhiya.
Sa isang pang-industriyang sukat, ang radiation na ito ay nakukuha tulad ng sumusunod:
- Ang cathode ay naglalabas ng high-energy electron.
- Nakabangga ang electron sa materyal ng anode.
- Ang electron ay bumibilis nang husto (habang naglalabas ng X-ray).
- Sa isa pang kaso, ang decelerating na particle ay nagpapatalsik ng isang electron palabas sa mababang orbit ng atom mula sa anode material, na bumubuo rin ng mga X-ray.
Kailangan ding maunawaan na, tulad ng ibang electromagnetic radiation, ang X-ray ay may sariling spectrum. Ang radiation na ito mismo ay ginagamit nang malawak. Alam ng lahat na ang isang sirang buto o masa sa baga ay hinahanap sa tulong ng x-ray.
Istruktura ng crystalline substance
Ngayon ay malapit na tayo sa kung ano ang X-ray diffraction method. Upang gawin ito, kinakailangan upang ipaliwanag kung paano nakaayos ang isang solidong katawan. Sa agham, ang isang solidong katawan ay tinatawag na anumang sangkap sa isang mala-kristal na estado. Ang kahoy, luad o salamin ay solid, ngunit kulang sila sa pangunahing bagay: isang pana-panahong istraktura. Ngunit ang mga kristal ay may ganitong kamangha-manghang katangian. Ang mismong pangalan ng hindi pangkaraniwang bagay na ito ay naglalaman ng kakanyahan nito. Una kailangan mong maunawaan na ang mga atomo sa kristal ay naayos nang mahigpit. Ang mga bono sa pagitan ng mga ito ay may ilang antas ng pagkalastiko, ngunit ang mga ito ay masyadong malakas para sa mga atomo na lumipat sa loob.mga rehas na bakal. Posible ang mga ganitong yugto, ngunit may napakalakas na panlabas na impluwensya. Halimbawa, kung ang isang metal na kristal ay baluktot, ang mga punto ng depekto ng iba't ibang uri ay nabuo sa loob nito: sa ilang mga lugar, ang atom ay umalis sa lugar nito, na bumubuo ng isang bakante, sa iba, ito ay gumagalaw sa mga maling posisyon, na bumubuo ng isang interstitial na depekto. Sa lugar ng liko, ang kristal ay nawawala ang payat na mala-kristal na istraktura, nagiging napaka depekto, maluwag. Kaya naman, mas mabuting huwag gumamit ng paper clip na hindi nabaluktot nang isang beses, dahil nawala ang mga katangian ng metal.
Kung ang mga atom ay mahigpit na naayos, ang mga ito ay hindi na maaaring random na ayusin na may kaugnayan sa isa't isa, tulad ng sa mga likido. Dapat nilang ayusin ang kanilang mga sarili sa paraang mabawasan ang enerhiya ng kanilang pakikipag-ugnayan. Kaya, ang mga atom ay nakahanay sa isang sala-sala. Sa bawat sala-sala mayroong isang minimum na hanay ng mga atom na nakaayos sa isang espesyal na paraan sa espasyo - ito ang elementarya na cell ng kristal. Kung i-broadcast natin ito nang buo, iyon ay, pagsamahin ang mga gilid sa bawat isa, lumilipat sa anumang direksyon, makukuha natin ang buong kristal. Gayunpaman, ito ay nagkakahalaga ng pag-alala na ito ay isang modelo. Anumang tunay na kristal ay may mga depekto, at halos imposibleng makamit ang isang ganap na tumpak na pagsasalin. Ang mga modernong silicon memory cell ay malapit sa perpektong kristal. Gayunpaman, ang pagkuha ng mga ito ay nangangailangan ng hindi kapani-paniwalang dami ng enerhiya at iba pang mapagkukunan. Sa laboratoryo, ang mga siyentipiko ay nakakakuha ng mga perpektong istruktura ng iba't ibang uri, ngunit, bilang isang patakaran, ang mga gastos sa kanilang paglikha ay masyadong mataas. Ngunit ipagpalagay namin na ang lahat ng mga kristal ay perpekto: sa alinmandireksyon, ang parehong mga atom ay matatagpuan sa parehong distansya mula sa bawat isa. Ang istrakturang ito ay tinatawag na kristal na sala-sala.
Pag-aaral ng istrukturang kristal
Ito ay dahil sa katotohanang ito na ang X-ray diffraction sa mga kristal ay posible. Ang pana-panahong istraktura ng mga kristal ay lumilikha ng ilang mga eroplano sa kanila, kung saan mayroong higit pang mga atomo kaysa sa iba pang mga direksyon. Minsan ang mga eroplanong ito ay itinakda ng simetrya ng kristal na sala-sala, minsan sa pamamagitan ng magkaparehong pag-aayos ng mga atomo. Ang bawat eroplano ay itinalaga ng sarili nitong pagtatalaga. Napakaliit ng mga distansya sa pagitan ng mga eroplano: sa pagkakasunud-sunod ng ilang angstrom (tandaan, ang angstrom ay 10-10 metro o 0.1 nanometer).
Gayunpaman, maraming eroplano na may parehong direksyon sa anumang tunay na kristal, kahit na napakaliit. Ang X-ray diffraction bilang isang pamamaraan ay sinasamantala ang katotohanang ito: ang lahat ng mga alon na nagbago ng direksyon sa mga eroplano ng parehong direksyon ay summed up, na nagbibigay ng isang medyo malinaw na signal sa output. Kaya't mauunawaan ng mga siyentipiko kung saang direksyon matatagpuan ang mga eroplanong ito sa loob ng kristal, at hatulan ang panloob na istraktura ng istraktura ng kristal. Gayunpaman, ang data na ito lamang ay hindi sapat. Bilang karagdagan sa anggulo ng pagkahilig, kailangan mo ring malaman ang distansya sa pagitan ng mga eroplano. Kung wala ito, maaari kang makakuha ng libu-libong iba't ibang mga modelo ng istraktura, ngunit hindi alam ang eksaktong sagot. Kung paano nalaman ng mga siyentipiko ang tungkol sa distansya sa pagitan ng mga eroplano ay tatalakayin sa ibaba.
Diffraction phenomenon
Nagbigay na kami ng pisikal na katwiran kung ano ang X-ray diffraction sa spatial na sala-sala ng mga kristal. Gayunpaman, hindi pa namin naipaliwanag ang kakanyahandiffraction phenomena. Kaya, ang diffraction ay ang pag-ikot ng mga hadlang sa pamamagitan ng mga alon (kabilang ang mga electromagnetic). Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay tila isang paglabag sa batas ng linear optics, ngunit hindi. Ito ay malapit na nauugnay sa interference at wave properties ng, halimbawa, mga photon. Kung mayroong isang balakid sa daan ng liwanag, pagkatapos ay dahil sa diffraction, ang mga photon ay maaaring "tumingin" sa paligid ng sulok. Kung gaano kalayo ang direksyon ng liwanag na naglalakbay mula sa isang tuwid na linya ay nakasalalay sa laki ng balakid. Kung mas maliit ang balakid, mas maikli dapat ang haba ng electromagnetic wave. Iyon ang dahilan kung bakit ang X-ray diffraction sa mga solong kristal ay isinasagawa gamit ang mga maiikling alon: ang distansya sa pagitan ng mga eroplano ay napakaliit, ang mga optical photon ay hindi "gagapang" sa pagitan ng mga ito, ngunit makikita lamang mula sa ibabaw.
Totoo ang ganitong konsepto, ngunit sa modernong agham ito ay itinuturing na masyadong makitid. Upang palawakin ang kahulugan nito, gayundin para sa pangkalahatang erudition, nagpapakita kami ng mga pamamaraan para sa pagpapakita ng wave diffraction.
- Pagbabago sa spatial na istraktura ng mga alon. Halimbawa, ang pagpapalawak ng anggulo ng pagpapalaganap ng isang wave beam, ang pagpapalihis ng isang alon o isang serye ng mga alon sa ilang gustong direksyon. Sa ganitong klase ng mga kababalaghan ang pag-ikot ng alon sa paligid ng mga hadlang.
- Pagbubulok ng mga alon sa isang spectrum.
- Pagbabago sa wave polarization.
- Transformation ng phase structure ng waves.
Ang phenomenon ng diffraction, kasama ang interference, ay responsable sa katotohanan na kapag ang isang sinag ng liwanag ay nakadirekta sa isang makitid na siwang sa likod nito, hindi natin nakikita ang isa, ngunit marami.liwanag na pinakamataas. Kung mas malayo ang maximum mula sa gitna ng slot, mas mataas ang pagkakasunud-sunod nito. Bilang karagdagan, sa tamang setting ng eksperimento, ang anino mula sa isang ordinaryong karayom sa pananahi (siyempre, manipis) ay nahahati sa ilang mga guhit, at ang maximum na liwanag ay sinusunod nang eksakto sa likod ng karayom, at hindi ang pinakamababa.
Wulf-Bragg formula
Nasabi na namin sa itaas na ang panghuling signal ay ang kabuuan ng lahat ng X-ray photon na sinasalamin mula sa mga eroplano na may parehong hilig sa loob ng kristal. Ngunit ang isang mahalagang kaugnayan ay nagpapahintulot sa iyo na tumpak na kalkulahin ang istraktura. Kung wala ito, ang X-ray diffraction ay magiging walang silbi. Ang formula ng Wulf-Bragg ay ganito ang hitsura: 2dsinƟ=nλ. Narito ang d ay ang distansya sa pagitan ng mga eroplano na may parehong anggulo ng pagkahilig, θ ay ang glancing angle (Bragg angle), o ang anggulo ng saklaw sa eroplano, n ay ang pagkakasunud-sunod ng maximum na diffraction, λ ay ang wavelength. Dahil alam nang maaga kung aling X-ray spectrum ang ginagamit upang makakuha ng data at sa anong anggulo bumaba ang radiation na ito, pinapayagan tayo ng formula na ito na kalkulahin ang halaga ng d. Nasabi na namin na medyo mataas na kung wala ang impormasyong ito imposibleng tumpak na makuha ang istraktura ng isang substance.
Modernong aplikasyon ng X-ray diffraction
Bumangon ang tanong: sa anong mga kaso kailangan ang pagsusuring ito, hindi ba na-explore na ng mga siyentipiko ang lahat ng bagay sa mundo ng istraktura, at hindi ba ang mga tao, kapag nakakakuha ng panimula ng mga bagong sangkap, ay ipinapalagay kung anong uri ng resulta ang naghihintay sa kanila ? May apat na sagot.
- Oo, lubos nating nakilala ang ating planeta. Ngunit bawat taon ay may mga bagong mineral na matatagpuan. Minsan ang kanilang istraktura ay pantayhulaan na walang x-ray ay hindi gagana.
- Maraming siyentipiko ang nagsisikap na pahusayin ang mga katangian ng mga umiiral nang materyales. Ang mga sangkap na ito ay sumasailalim sa iba't ibang uri ng pagproseso (presyon, temperatura, laser, atbp.). Minsan ang mga elemento ay idinagdag o inalis mula sa kanilang istraktura. Ang X-ray diffraction sa mga kristal ay makakatulong upang maunawaan kung ano ang mga panloob na pagbabagong naganap sa kasong ito.
- Para sa ilang application (hal., aktibong media, laser, memory card, optical na elemento ng mga surveillance system), ang mga kristal ay dapat na tumpak na tumugma. Samakatuwid, sinusuri ang kanilang istraktura gamit ang paraang ito.
- X-ray diffraction ay ang tanging paraan upang malaman kung ilan at aling mga phase ang nakuha sa panahon ng synthesis sa mga multicomponent system. Ang mga ceramic na elemento ng modernong teknolohiya ay maaaring magsilbi bilang isang halimbawa ng mga naturang sistema. Ang pagkakaroon ng mga hindi gustong mga yugto ay maaaring humantong sa malubhang kahihinatnan.
Ang
Paggalugad sa kalawakan
Maraming tao ang nagtatanong: "Bakit kailangan natin ng malalaking obserbatoryo sa orbit ng Earth, bakit kailangan natin ng rover kung hindi pa nalulutas ng sangkatauhan ang mga problema ng kahirapan at digmaan?"
Lahat ng tao ay may kanya-kanyang dahilan para sa at laban, ngunit malinaw na ang sangkatauhan ay dapat magkaroon ng pangarap.
Samakatuwid, ang pagtingin sa mga bituin, ngayon ay masasabi nating may kumpiyansa: mas marami tayong nalalaman tungkol sa kanila araw-araw.
X-ray mula sa mga prosesong nagaganap sa kalawakan ay hindi umaabot sa ibabaw ng ating planeta, sila ay nasisipsip ng atmospera. Ngunit ang bahaging itoAng electromagnetic spectrum ay nagdadala ng maraming data tungkol sa high-energy phenomena. Samakatuwid, ang mga instrumento na nag-aaral ng X-ray ay dapat na alisin sa Earth, papunta sa orbit. Ang kasalukuyang mga istasyon ay pinag-aaralan ang mga sumusunod na bagay:
- labi ng mga pagsabog ng supernova;
- sentro ng mga kalawakan;
- neutron star;
- black hole;
- pagbangga ng malalaking bagay (mga galaxy, grupo ng mga galaxy).
Nakakagulat, ayon sa iba't ibang proyekto, ang access sa mga istasyong ito ay ibinibigay sa mga mag-aaral at maging sa mga mag-aaral. Pinag-aaralan nila ang mga X-ray na nagmumula sa malalim na espasyo: ang diffraction, interference, spectrum ay naging paksa ng kanilang interes. At ang ilang napakabata na gumagamit ng mga obserbatoryong ito sa kalawakan ay gumagawa ng mga pagtuklas. Siyempre, ang isang maselang mambabasa ay maaaring tumutol na mayroon lamang silang oras upang tingnan ang mga larawang may mataas na resolution at mapansin ang mga banayad na detalye. At siyempre, ang kahalagahan ng mga pagtuklas, bilang panuntunan, ay nauunawaan lamang ng mga seryosong astronomo. Ngunit ang mga ganitong kaso ay nagbibigay inspirasyon sa mga kabataan na ialay ang kanilang buhay sa paggalugad sa kalawakan. At ang layuning ito ay sulit na isagawa.
Kaya, ang mga nagawa ni Wilhelm Conrad Roentgen ay nagbukas ng access sa stellar knowledge at ang kakayahang sakupin ang ibang mga planeta.
