این مقاله حاوی توضیحاتی در مورد چیزی به عنوان پراش اشعه ایکس است. اساس فیزیکی این پدیده و کاربردهای آن در اینجا توضیح داده شده است.
فناوری برای ایجاد مواد جدید
نوآوری، فناوری نانو روند دنیای مدرن است. اخبار پر از گزارش مطالب انقلابی جدید است. اما تعداد کمی از مردم به این فکر می کنند که دانشمندان برای ایجاد حداقل یک پیشرفت کوچک در فناوری های موجود به چه دستگاه تحقیقاتی عظیمی نیاز دارند. یکی از پدیده های اساسی که به افراد در انجام این کار کمک می کند، پراش اشعه ایکس است.
تابش الکترومغناطیسی
ابتدا باید توضیح دهید تابش الکترومغناطیسی چیست. هر جسم باردار متحرک یک میدان الکترومغناطیسی در اطراف خود ایجاد می کند. این میدان ها همه چیز را در اطراف فرا می گیرند، حتی خلاء فضای عمیق نیز از آنها خالی نیست. اگر در چنین میدانی آشفتگی های دوره ای وجود داشته باشد که بتواند در فضا منتشر شود، به آنها تابش الکترومغناطیسی می گویند. برای توصیف آن از مفاهیمی مانند طول موج، فرکانس و انرژی آن استفاده شده است. آنچه انرژی است شهودی است و طول موج فاصله بین آنهاستفازهای یکسان (به عنوان مثال، بین دو ماکسیما مجاور). هر چه طول موج (و بر این اساس، فرکانس) بیشتر باشد، انرژی آن کمتر است. به یاد داشته باشید که این مفاهیم برای توصیف دقیق و مختصر پراش پرتو ایکس ضروری هستند.
طیف الکترومغناطیسی
همه انواع پرتوهای الکترومغناطیسی در مقیاس خاصی قرار می گیرند. بسته به طول موج، آنها (از طولانی ترین تا کوتاه ترین) را تشخیص می دهند:
- امواج رادیویی؛
- امواج تراهرتز؛
- امواج مادون قرمز؛
- امواج مرئی؛
- امواج فرابنفش؛
- امواج اشعه ایکس؛
- تابش گاما.
بنابراین، تابش مورد علاقه ما دارای طول موج بسیار کوتاه و بالاترین انرژی است (به همین دلیل است که گاهی اوقات به آن سخت می گویند). بنابراین، ما به توصیف پراش پرتو ایکس نزدیک‌تر می‌شویم.
منشا اشعه ایکس
هر چه انرژی تشعشع بالاتر باشد، به دست آوردن مصنوعی آن دشوارتر است. پس از ایجاد آتش، یک فرد تابش مادون قرمز زیادی دریافت می کند، زیرا این است که گرما را منتقل می کند. اما برای اینکه پراش اشعه ایکس توسط ساختارهای فضایی اتفاق بیفتد، باید تلاش زیادی کرد. بنابراین، این نوع تابش الکترومغناطیسی زمانی آزاد می شود که یک الکترون از پوسته اتم که نزدیک به هسته است، خارج شود. الکترون های واقع در بالا تمایل دارند حفره حاصل را پر کنند، انتقال آنها را پر کنند و فوتون های اشعه ایکس را ایجاد کنند. همچنین، در هنگام کاهش شدید ذرات باردار با جرم (به عنوان مثال،الکترون ها)، این پرتوهای پرانرژی تولید می شوند. بنابراین، پراش اشعه ایکس بر روی یک شبکه کریستالی با صرف مقدار نسبتاً زیادی انرژی همراه است.
در مقیاس صنعتی، این تشعشع به صورت زیر به دست می آید:
- کاتد یک الکترون پرانرژی ساطع می کند.
- برخورد الکترون با ماده آند.
- الکترون به شدت کاهش می یابد (هنگامی که اشعه ایکس ساطع می کند).
- در مورد دیگری، ذره کاهش‌دهنده یک الکترون را از مدار پایین اتم از ماده آند خارج می‌کند، که همچنین اشعه ایکس تولید می‌کند.
همچنین لازم است بدانیم که مانند هر تابش الکترومغناطیسی دیگری، اشعه ایکس طیف خاص خود را دارد. این تشعشع به خودی خود بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. همه می دانند که استخوان شکسته یا توده ای در ریه ها با کمک اشعه ایکس جستجو می شود.
ساختار یک ماده کریستالی
حالا به روش پراش اشعه ایکس نزدیک می شویم. برای این کار لازم است نحوه چیدمان یک جسم جامد توضیح داده شود. در علم جسم جامد به هر ماده ای که در حالت کریستالی باشد گفته می شود. چوب، خاک رس یا شیشه جامد هستند، اما فاقد چیز اصلی هستند: ساختار دوره ای. اما کریستال ها این خاصیت شگفت انگیز را دارند. نام این پدیده حاوی ماهیت آن است. ابتدا باید بدانید که اتم های کریستال به طور صلب ثابت هستند. پیوندهای بین آنها درجاتی از خاصیت ارتجاعی دارند، اما برای حرکت اتم ها در داخل آن بسیار قوی هستند.توری چنین اپیزودهایی ممکن است، اما با تأثیر خارجی بسیار قوی. به عنوان مثال، اگر یک کریستال فلزی خم شود، عیوب نقطه ای از انواع مختلف در آن ایجاد می شود: در برخی مکان ها، اتم جای خود را ترک می کند و جای خالی ایجاد می کند، در برخی دیگر، به سمت موقعیت های اشتباه حرکت می کند و یک نقص بینابینی را تشکیل می دهد. در محل خم شدن، کریستال ساختار کریستالی باریک خود را از دست می دهد، بسیار معیوب، شل می شود. بنابراین بهتر است از گیره ای که یک بار خم نشده است استفاده نکنید زیرا فلز خاصیت خود را از دست داده است.
اگر اتم ها به طور صلب ثابت باشند، دیگر نمی توانند مانند مایعات به طور تصادفی نسبت به یکدیگر مرتب شوند. آنها باید خود را به گونه ای سازماندهی کنند که انرژی تعامل خود را به حداقل برسانند. بنابراین، اتم ها در یک شبکه قرار می گیرند. در هر شبکه حداقل مجموعه ای از اتم ها وجود دارد که به روشی خاص در فضا مرتب شده اند - این سلول ابتدایی کریستال است. اگر آن را به طور کامل پخش کنیم، یعنی لبه ها را با یکدیگر ترکیب کنیم، به هر جهتی تغییر دهیم، کل کریستال را به دست خواهیم آورد. با این حال، شایان ذکر است که این یک مدل است. هر کریستال واقعی دارای نقص هایی است و دستیابی به یک ترجمه کاملا دقیق تقریبا غیرممکن است. سلول های حافظه سیلیکونی مدرن به کریستال های ایده آل نزدیک هستند. با این حال، دستیابی به آنها به مقادیر باورنکردنی انرژی و منابع دیگر نیاز دارد. در آزمایشگاه، دانشمندان ساختارهای کاملی از انواع مختلف به دست می آورند، اما، به عنوان یک قاعده، هزینه های ایجاد آنها بسیار زیاد است. اما ما فرض می کنیم که همه بلورها ایده آل هستند: در هردر جهت، همان اتم ها در فواصل یکسانی از یکدیگر قرار خواهند گرفت. این ساختار شبکه کریستالی نامیده می شود.
مطالعه ساختار کریستالی
به دلیل این واقعیت است که پراش اشعه ایکس بر روی کریستال ها امکان پذیر است. ساختار تناوبی کریستال ها صفحات خاصی را در آنها ایجاد می کند که در آنها اتم های بیشتری نسبت به سایر جهات وجود دارد. گاهی اوقات این صفحات توسط تقارن شبکه کریستالی تنظیم می شوند، گاهی اوقات توسط آرایش متقابل اتم ها. به هر هواپیما نام خاص خود اختصاص داده شده است. فواصل بین هواپیماها بسیار کوچک است: به ترتیب چندین آنگستروم (به یاد بیاورید، یک آنگستروم 10-10 متر یا 0.1 نانومتر است).
با این حال، در هر کریستال واقعی، حتی در یک بلور بسیار کوچک، تعداد زیادی هواپیما در یک جهت وجود دارد. پراش پرتو ایکس به عنوان یک روش از این واقعیت استفاده می کند: همه امواجی که در صفحات هم جهت تغییر جهت داده اند، خلاصه می شوند و سیگنال نسبتاً واضحی در خروجی می دهند. بنابراین دانشمندان می توانند بفهمند که این هواپیماها در چه جهتی در داخل کریستال قرار دارند و ساختار داخلی ساختار بلوری را قضاوت کنند. با این حال، این داده ها به تنهایی کافی نیستند. علاوه بر زاویه شیب، باید فاصله بین هواپیماها را نیز بدانید. بدون این، شما می توانید هزاران مدل مختلف از ساختار را دریافت کنید، اما پاسخ دقیق را نمی دانید. اینکه چگونه دانشمندان در مورد فاصله بین هواپیماها یاد می گیرند در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت.
پدیده پراش
ما قبلاً یک توجیه فیزیکی از چیستی پراش پرتو ایکس در شبکه فضایی کریستال ها ارائه کرده ایم. با این حال، ما هنوز اصل را توضیح نداده ایمپدیده های پراش بنابراین، پراش گرد کردن موانع توسط امواج (از جمله امواج الکترومغناطیسی) است. به نظر می رسد این پدیده نقض قانون اپتیک خطی است، اما اینطور نیست. ارتباط نزدیکی با تداخل و خواص موج مثلاً فوتون ها دارد. اگر مانعی بر سر راه نور وجود داشته باشد، به دلیل پراش، فوتون ها می توانند به گوشه و کنار "نگاه کنند". میزان مسافت جهت نور از یک خط مستقیم به اندازه مانع بستگی دارد. هر چه مانع کوچکتر باشد، طول موج الکترومغناطیسی باید کوتاهتر باشد. به همین دلیل است که پراش پرتو ایکس روی تک بلورها با استفاده از چنین امواج کوتاهی انجام می شود: فاصله بین هواپیماها بسیار کوچک است، فوتون های نوری به سادگی بین آنها "خزیده" نمی شوند، بلکه فقط از سطح منعکس می شوند.
چنین مفهومی درست است، اما در علم مدرن آن را بسیار محدود می دانند. برای گسترش تعریف آن، و همچنین برای دانش عمومی، روش‌هایی را برای تجلی پراش موج ارائه می‌کنیم.
- تغییر ساختار فضایی امواج. به عنوان مثال، گسترش زاویه انتشار یک پرتو موج، انحراف یک موج یا مجموعه ای از امواج در یک جهت ترجیحی. خم شدن موج به دور موانع به این دسته از پدیده ها تعلق دارد.
- تجزیه امواج به یک طیف.
- تغییر در قطبش موج.
- تغییر ساختار فاز امواج.
پدیده پراش، همراه با تداخل، مسئول این واقعیت است که وقتی یک پرتو نور به یک شکاف باریک در پشت آن هدایت می شود، نه یک، بلکه چندین را می بینیم.حداکثر نور هرچه حداکثر از وسط شکاف دورتر باشد، ترتیب آن بیشتر است. علاوه بر این، با تنظیم صحیح آزمایش، سایه یک سوزن خیاطی معمولی (البته نازک) به چندین نوار تقسیم می شود و حداکثر نور دقیقاً پشت سوزن مشاهده می شود و نه حداقل.
فرمول ولف-براگ
قبلاً در بالا گفتیم که سیگنال نهایی مجموع تمام فوتون های پرتو ایکس است که از صفحات با تمایل یکسان در داخل کریستال منعکس می شوند. اما یک رابطه مهم به شما امکان می دهد ساختار را به طور دقیق محاسبه کنید. بدون آن، پراش اشعه ایکس بی فایده خواهد بود. فرمول Wulf-Bragg به این صورت است: 2dsinƟ=nλ. در اینجا d فاصله بین صفحات با زاویه شیب یکسان، θ زاویه نگاه (زاویه براگ)، یا زاویه برخورد روی صفحه، n مرتبه حداکثر پراش، λ طول موج است. از آنجایی که از قبل مشخص شده است که از کدام طیف پرتو ایکس برای به دست آوردن داده ها استفاده می شود و این تابش در چه زاویه ای می افتد، این فرمول به ما امکان می دهد مقدار d را محاسبه کنیم. ما قبلاً کمی بالاتر گفته ایم که بدون این اطلاعات نمی توان به طور دقیق ساختار یک ماده را به دست آورد.
کاربرد مدرن پراش اشعه ایکس
این سوال مطرح می شود: در چه مواردی این تجزیه و تحلیل مورد نیاز است، آیا دانشمندان قبلاً همه چیز را در دنیای ساختار کاوش نکرده اند و آیا مردم هنگام به دست آوردن مواد اساسی جدید تصور نمی کنند که چه نوع نتیجه ای در انتظار آنها است. ? چهار پاسخ وجود دارد.
- بله، ما سیاره خود را به خوبی شناختیم. اما هر سال مواد معدنی جدیدی پیدا می شود. گاهی اوقات ساختار آنها یکنواخت استحدس زدن بدون اشعه ایکس کار نخواهد کرد.
- بسیاری از دانشمندان در تلاش هستند تا خواص مواد موجود را بهبود بخشند. این مواد تحت انواع مختلف پردازش (فشار، دما، لیزر و غیره) قرار می گیرند. گاهی اوقات عناصری به ساختار آنها اضافه یا حذف می شوند. پراش پرتو ایکس روی کریستال ها به درک اینکه چه بازآرایی های داخلی در این مورد رخ داده است کمک می کند.
- برای برخی کاربردها (مثلاً رسانه های فعال، لیزرها، کارت های حافظه، عناصر نوری سیستم های نظارتی)، کریستال ها باید کاملاً دقیق مطابقت داشته باشند. بنابراین ساختار آنها با استفاده از این روش بررسی می شود.
- پراش پرتو ایکس تنها راه برای فهمیدن اینکه چند و کدام فاز در طول سنتز در سیستم های چند جزئی به دست آمده است. عناصر سرامیکی فناوری مدرن می توانند به عنوان نمونه ای از این سیستم ها باشند. وجود مراحل ناخواسته می تواند منجر به عواقب جدی شود.
اکتشاف فضا
بسیاری از مردم می پرسند: "چرا ما به رصدخانه های عظیم در مدار زمین نیاز داریم، اگر بشریت هنوز مشکلات فقر و جنگ را حل نکرده است، چرا به مریخ نورد نیاز داریم؟"
هرکس دلایل موافق و مخالف خود را دارد، اما واضح است که بشریت باید رویایی داشته باشد.
بنابراین، امروز با نگاه کردن به ستاره ها، می توانیم با اطمینان بگوییم: هر روز بیشتر و بیشتر در مورد آنها می دانیم.
اشعه ایکس حاصل از فرآیندهایی که در فضا رخ می دهد به سطح سیاره ما نمی رسد، آنها توسط جو جذب می شوند. اما این قسمتطیف الکترومغناطیسی داده های زیادی را در مورد پدیده های پرانرژی حمل می کند. بنابراین، ابزارهایی که پرتوهای ایکس را مطالعه می کنند، باید از زمین خارج شوند و در مدار قرار گیرند. ایستگاه های موجود در حال حاضر در حال مطالعه اشیاء زیر هستند:
- بقایای انفجارهای ابرنواختر؛
- مراکز کهکشان ها؛
- ستارگان نوترونی؛
- سیاهچاله؛
- برخورد اجرام عظیم (کهکشان ها، گروه های کهکشان).
جای تعجب است که طبق پروژه های مختلف، دسترسی به این ایستگاه ها برای دانش آموزان و حتی دانش آموزان مدرسه فراهم شده است. آنها پرتوهای ایکس که از اعماق فضا می آیند را مطالعه می کنند: پراش، تداخل، طیف موضوع مورد علاقه آنها می شود. و برخی از کاربران بسیار جوان این رصدخانه های فضایی در حال اکتشافات هستند. البته یک خواننده دقیق ممکن است اعتراض کند که فقط وقت دارد به تصاویر با وضوح بالا نگاه کند و جزئیات ظریف را متوجه شود. و البته، اهمیت اکتشافات، به عنوان یک قاعده، تنها توسط ستاره شناسان جدی درک می شود. اما چنین مواردی به جوانان انگیزه می دهد تا زندگی خود را وقف اکتشافات فضایی کنند. و این هدف ارزش دنبال کردن را دارد.
بنابراین، دستاوردهای ویلهلم کنراد رونتگن دسترسی به دانش ستاره‌ای و توانایی تسخیر سیارات دیگر را باز کرد.
