מאמר זה מכיל תיאור של דבר כזה כמו עקיפה של קרני רנטגן. הבסיס הפיזי של תופעה זו ויישומיה מוסברים כאן.
טכנולוגיות ליצירת חומרים חדשים
חדשנות, ננוטכנולוגיה היא הטרנד של העולם המודרני. החדשות מלאות בדיווחים על חומרים מהפכניים חדשים. אבל מעטים האנשים שחושבים על איזה מנגנון מחקר ענק צריך מדענים כדי ליצור לפחות שיפור קטן בטכנולוגיות הקיימות. אחת התופעות הבסיסיות שעוזרות לאנשים לעשות זאת היא עקיפה של קרני רנטגן.
קרינה אלקטרומגנטית
תחילה עליך להסביר מהי קרינה אלקטרומגנטית. כל גוף טעון נע יוצר שדה אלקטרומגנטי סביב עצמו. השדות הללו חודרים להכל מסביב, אפילו הריק של החלל העמוק אינו פנוי מהם. אם בשדה כזה יש הפרעות תקופתיות שיכולות להתפשט בחלל, הן נקראות קרינה אלקטרומגנטית. כדי לתאר אותו משתמשים במושגים כמו אורך גל, תדר והאנרגיה שלו. מהי אנרגיה הוא אינטואיטיבי, ואורך הגל הוא המרחק ביניהםשלבים זהים (לדוגמה, בין שתי מקסימום סמוכות). ככל שאורך הגל גבוה יותר (ובהתאם, התדר), כך האנרגיה שלו נמוכה יותר. נזכיר שהמושגים האלה נחוצים כדי לתאר מהי עקיפה של קרני רנטגן בצורה תמציתית ותמציתית.
ספקטרום אלקטרומגנטי
כל מגוון הקרניים האלקטרומגנטיות מתאימות בקנה מידה מיוחד. בהתאם לאורך הגל, הם מבחינים (מהארוך לקצר ביותר):
- גלי רדיו;
- גלי טרה-הרץ;
- גלי אינפרא אדום;
- גלים גלויים;
- גלים אולטרה סגולים;
- גלי רנטגן;
- קרינת גמא.
לכן, לקרינה שאנו מעוניינים בה יש אורך גל קצר מאוד והאנרגיות הגבוהות ביותר (ולכן היא נקראת לפעמים קשה). לכן, אנחנו מתקרבים יותר לתיאור מהי עקיפה של קרני רנטגן.
מקור קרני הרנטגן
ככל שאנרגיית הקרינה גבוהה יותר, כך קשה יותר להשיג אותה באופן מלאכותי. לאחר שהצית שריפה, אדם מקבל הרבה קרינה אינפרא אדומה, כי הוא זה שמעביר חום. אבל כדי שתתרחש עקיפה של קרני רנטגן על ידי מבנים מרחביים, צריך לעשות מאמץ רב. אז, סוג זה של קרינה אלקטרומגנטית משתחררת כאשר אלקטרון נדפק מהקליפה של אטום, אשר קרוב לגרעין. האלקטרונים הממוקמים מעל נוטים למלא את החור שנוצר, את המעברים שלהם ולתת פוטוני רנטגן. כמו כן, במהלך האטה חדה של חלקיקים טעונים בעלי מסה (לדוגמה,אלקטרונים), אלו מיוצרות אלומות אנרגיה גבוהה. לפיכך, עקיפה של קרני רנטגן על סריג גביש מלווה בהוצאה של כמות גדולה למדי של אנרגיה.
בקנה מידה תעשייתי, קרינה זו מתקבלת באופן הבא:
- הקתודה פולטת אלקטרון בעל אנרגיה גבוהה.
- אלקטרון מתנגש בחומר האנודה.
- האלקטרון מאט בחדות (תוך כדי פליטת קרני רנטגן).
- במקרה אחר, החלקיק המאיט מפיל אלקטרון מהמסלול הנמוך של האטום מחומר האנודה, שגם יוצר קרני רנטגן.
יש גם צורך להבין שכמו כל קרינה אלקטרומגנטית אחרת, לקרני רנטגן יש ספקטרום משלהם. בקרינה זו עצמה נעשה שימוש נרחב למדי. כולם יודעים שמחפשים עצם שבורה או מסה בריאות בעזרת צילומי רנטגן.
מבנה של חומר גבישי
עכשיו אנחנו מתקרבים למה היא שיטת עקיפה של קרני רנטגן. כדי לעשות זאת, יש צורך להסביר כיצד גוף מוצק מסודר. במדע, גוף מוצק נקרא כל חומר במצב גבישי. עץ, חימר או זכוכית הם מוצקים, אבל חסר להם העיקר: מבנה תקופתי. אבל לקריסטלים יש את המאפיין המדהים הזה. עצם שמה של תופעה זו מכיל את המהות שלה. ראשית עליך להבין שהאטומים בגביש מקובעים בצורה נוקשה. לקשרים ביניהם יש מידה מסוימת של גמישות, אבל הם חזקים מכדי שאטומים יזוזו בפנים.סורגים. פרקים כאלה אפשריים, אבל עם השפעה חיצונית חזקה מאוד. לדוגמה, אם גביש מתכת מכופף, נוצרים בו פגמים נקודתיים מסוגים שונים: במקומות מסוימים האטום עוזב את מקומו ויוצר מקום פנוי, באחרים הוא נע למיקומים הלא נכונים ויוצר פגם בין-סטיציאלי. במקום העיקול, הגביש מאבד את המבנה הגבישי הדק שלו, הופך לקוי מאוד, משוחרר. לכן, עדיף לא להשתמש באטב שלא היה כפוף פעם אחת, מאחר שהמתכת איבדה את תכונותיה.
אם האטומים מקובעים בצורה נוקשה, לא ניתן עוד לסדר אותם באופן אקראי זה ביחס לזה, כמו בנוזלים. הם חייבים לארגן את עצמם בצורה כזו שתמזער את האנרגיה של האינטראקציה שלהם. לפיכך, האטומים מסתדרים בסריג. בכל סריג יש קבוצה מינימלית של אטומים המסודרים בצורה מיוחדת במרחב - זהו התא היסודי של הגביש. אם נשדר אותו במלואו, כלומר נשלב את הקצוות אחד עם השני, בשינוי לכל כיוון, נקבל את כל הגביש. עם זאת, כדאי לזכור שמדובר בדגם. לכל קריסטל אמיתי יש פגמים, וכמעט בלתי אפשרי להשיג תרגום מדויק לחלוטין. תאי זיכרון סיליקון מודרניים קרובים לגבישים אידיאליים. עם זאת, השגתן דורשת כמויות מדהימות של אנרגיה ומשאבים אחרים. במעבדה משיגים מדענים מבנים מושלמים מסוגים שונים, אך ככלל, עלויות יצירתם גבוהות מדי. אבל נניח שכל הגבישים הם אידיאליים: בכלכיוון, אותם אטומים יהיו ממוקמים באותם מרחקים זה מזה. מבנה זה נקרא סריג קריסטל.
מחקר של מבנה הגביש
זה נובע מעובדה זו שדיפרקציה של קרני רנטגן על גבישים אפשרית. המבנה התקופתי של גבישים יוצר בהם מישורים מסוימים, שבהם יש יותר אטומים מאשר בכיוונים אחרים. לפעמים מישורים אלה נקבעים על ידי הסימטריה של סריג הגביש, לפעמים על ידי הסידור ההדדי של אטומים. לכל מטוס מוקצה ייעוד משלו. המרחקים בין המטוסים קטנים מאוד: בסדר גודל של מספר אנגסטרמים (כזכור, אנגסטרם הוא 10-10 מטר או 0.1 ננומטר).
עם זאת, ישנם מישורים רבים מאותו כיוון בכל גביש אמיתי, אפילו קטן מאוד. עקיפה של קרני רנטגן כשיטה מנצלת עובדה זו: כל הגלים ששינו כיוון במישורים של אותו כיוון מסוכמים, ונותנים אות ברור למדי במוצא. אז מדענים יכולים להבין באילו כיוונים ממוקמים המישורים הללו בתוך הגביש, ולשפוט את המבנה הפנימי של מבנה הגביש. עם זאת, הנתונים הללו לבדם אינם מספיקים. בנוסף לזווית הנטייה, צריך לדעת גם את המרחק בין המטוסים. בלי זה, אתה יכול לקבל אלפי דגמים שונים של המבנה, אבל לא לדעת את התשובה המדויקת. כיצד מדענים לומדים על המרחק בין המטוסים יידונו להלן.
תופעת עקיפה
כבר נתנו הצדקה פיזיקלית של מהי עקיפה של קרני רנטגן על הסריג המרחבי של גבישים. עם זאת, טרם הסברנו את המהותתופעות עקיפה. אז, עקיפה היא עיגול המכשולים על ידי גלים (כולל אלקטרומגנטיים). נראה שהתופעה הזו היא הפרה של חוק האופטיקה הליניארית, אבל היא לא. זה קשור קשר הדוק לתכונות ההפרעות והגלים של, למשל, פוטונים. אם יש מכשול בדרכו של האור, אז בגלל עקיפה, פוטונים יכולים "להסתכל" מעבר לפינה. כמה רחוק כיוון האור עובר מקו ישר תלוי בגודל המכשול. ככל שהמכשול קטן יותר, אורך הגל האלקטרומגנטי צריך להיות קצר יותר. לכן עקיפה של קרני רנטגן על גבישים בודדים מתבצעת באמצעות גלים קצרים כל כך: המרחק בין המישורים קטן מאוד, פוטונים אופטיים פשוט לא "יזחלו" ביניהם, אלא ישתקפו רק מפני השטח.
מושג כזה נכון, אבל במדע המודרני הוא נחשב צר מדי. כדי להרחיב את הגדרתו, כמו גם ללימוד כללי, אנו מציגים שיטות לביטוי של עקיפה גלים.
- שינוי המבנה המרחבי של גלים. לדוגמה, הרחבת זווית ההתפשטות של אלומת גל, הטיה של גל או סדרה של גלים בכיוון מועדף כלשהו. למעמד זה של תופעות שייך כיפוף גלים סביב מכשולים.
- פירוק גלים לספקטרום.
- שינוי בקיטוב הגלים.
- טרנספורמציה של מבנה הפאזה של גלים.
תופעת הדיפרקציה, יחד עם הפרעות, אחראית לכך שכאשר אלומת אור מופנית אל חריץ צר מאחוריה, אנו רואים לא אחד, אלא כמהמקסימום אור. ככל שהמקסימום רחוק יותר מאמצע החריץ, כך הסדר שלו גבוה יותר. בנוסף, בהגדרה נכונה של הניסוי, הצל ממחט תפירה רגילה (כמובן דקה) מחולקת למספר פסים, ומקסימום האור נצפה בדיוק מאחורי המחט, ולא המינימום.
נוסחת וולף-בראג
כבר אמרנו למעלה שהאות הסופי הוא סכום כל הפוטונים של קרני רנטגן המשתקפים ממישורים בעלי אותה נטייה בתוך הגביש. אבל קשר חשוב אחד מאפשר לך לחשב במדויק את המבנה. בלעדיו, עקיפה של קרני רנטגן תהיה חסרת תועלת. נוסחת Wulf-Bragg נראית כך: 2dsinƟ=nλ. כאן d הוא המרחק בין מישורים עם אותה זווית נטייה, θ היא זווית ההסתכלות (זווית Bragg), או זווית הפגיעה במישור, n הוא סדר מרבי העקיפה, λ הוא אורך הגל. מכיוון שידוע מראש באיזה ספקטרום קרני רנטגן משתמשים כדי לקבל נתונים ובאיזו זווית קרינה זו נופלת, נוסחה זו מאפשרת לנו לחשב את הערך של d. כבר אמרנו קצת יותר גבוה שללא המידע הזה אי אפשר להשיג במדויק את המבנה של חומר.
יישום מודרני של עקיפה של קרני רנטגן
נשאלת השאלה: באילו מקרים יש צורך בניתוח זה, האם מדענים לא חקרו כבר כל דבר בעולם המבנה, והאם אנשים, כשהם משיגים חומרים חדשים ביסודו, מניחים איזו תוצאה מחכה להם ? יש ארבע תשובות.
- כן, הכרנו היטב את כוכב הלכת שלנו. אבל בכל שנה מוצאים מינרלים חדשים. לפעמים המבנה שלהם אחידמניח שללא צילומי רנטגן לא יעבוד.
- מדענים רבים מנסים לשפר את התכונות של חומרים שכבר קיימים. חומרים אלו נתונים לסוגים שונים של עיבוד (לחץ, טמפרטורה, לייזרים וכו'). לפעמים מוסיפים או מוסרים אלמנטים מהמבנה שלהם. עקיפה של קרני רנטגן על גבישים תעזור להבין אילו סידורים פנימיים התרחשו במקרה זה.
- עבור יישומים מסוימים (למשל, מדיה פעילה, לייזרים, כרטיסי זיכרון, אלמנטים אופטיים של מערכות מעקב), גבישים חייבים להיות מתאימים בדיוק רב. לכן, המבנה שלהם נבדק בשיטה זו.
- עקיפה של קרני רנטגן היא הדרך היחידה לגלות כמה ואיזה שלבים התקבלו במהלך סינתזה במערכות מרובות רכיבים. אלמנטים קרמיים של טכנולוגיה מודרנית יכולים לשמש דוגמה למערכות כאלה. נוכחות של שלבים לא רצויים עלולה להוביל לתוצאות חמורות.
חקירת חלל
אנשים רבים שואלים: "למה אנחנו צריכים מצפה כוכבים ענק במסלול כדור הארץ, למה אנחנו צריכים רובר אם האנושות עדיין לא פתרה את בעיות העוני והמלחמה?"
לכל אחד יש את הסיבות שלו בעד ונגד, אבל ברור שלאנושות חייב להיות חלום.
לכן, בהסתכלות על הכוכבים, היום אנחנו יכולים לומר בביטחון: אנחנו יודעים עליהם יותר ויותר מדי יום.
קרני רנטגן מתהליכים המתרחשים בחלל לא מגיעות אל פני השטח של כוכב הלכת שלנו, הן נספגות באטמוספירה. אבל החלק הזההספקטרום האלקטרומגנטי נושא הרבה נתונים על תופעות באנרגיה גבוהה. לכן, יש להוציא מכשירים שחוקרים קרני רנטגן מכדור הארץ, למסלול. תחנות קיימות כרגע בוחנות את האובייקטים הבאים:
- שאריות של פיצוצי סופרנובה;
- מרכזי גלקסיות;
- כוכבי ניוטרון;
- חורים שחורים;
- התנגשויות של עצמים מסיביים (גלקסיות, קבוצות של גלקסיות).
למרבה ההפתעה, על פי פרויקטים שונים, גישה לתחנות אלו ניתנת לסטודנטים ואפילו לתלמידי בית ספר. הם חוקרים קרני רנטגן המגיעות מהחלל העמוק: עקיפה, הפרעות, ספקטרום הופכים לנושא העניין שלהם. וכמה משתמשים צעירים מאוד של מצפי החלל האלה מגלים תגליות. קורא קפדן עשוי, כמובן, להתנגד שפשוט יש לו זמן להסתכל על תמונות ברזולוציה גבוהה ולהבחין בפרטים עדינים. וכמובן, החשיבות של תגליות, ככלל, מובן רק על ידי אסטרונומים רציניים. אבל מקרים כאלה נותנים השראה לצעירים להקדיש את חייהם לחקר החלל. וכדאי לשאוף למטרה הזו.
לכן, ההישגים של וילהלם קונרד רונטגן פתחו גישה לידע כוכבים וליכולת לכבוש כוכבי לכת אחרים.
