Apa sebaran X-ray?

Artikel iki nggambarake konsep kayata difraksi sinar X. Iki nerangake basis fisik fenomena iki lan aplikasie.

Teknologi kanggo nggawe bahan anyar

Inovasi, nanoteknologi - iki gaya donya modern. Kabar iki kebak laporan babagan bahan revolusioner anyar. Nanging sawetara wong kepengin weruh apa alat riset sing ageng dibutuhake dening para ilmuwan kanggo gawe paling dandan cilik ing teknologi sing ana. Salah sawijining fénoména dhasar sing mbiyantu wong ing babagan difraksi sinar X.

Radiasi elektromagnetik

Pisanan sampeyan kudu njelasake apa radiasi elektromagnetik. Saben awak sing mlebu obah ngasilake medan elektromagnetik ing saubenge. Kothak-kothak iki nyebar ing saubengé, malah vakum saka papan sing jero ora bebas. Yen gangguan sing ditindakake ing lapangan kasebut, sing bisa nyebar ing papan, diarani radiasi elektromagnetik. Kanggo deskripsi kasebut, konsep kaya dawa gelombang, frekuensi lan energi ditrapake. Apa energi bisa dingerteni sacara intuitif, lan dawane gelombang yaiku jarak antarane fase sing padha (umpamane, antarane loro maxima tetanggan). Sing luwih dhuwur dawane gelombang (lan, sing cocog, frekuensi), sing luwih murah energi. Cathetan, konsèp-konsèp iki perlu kanggo njlèntrèhaké difraksi sinar X minangka ringkes lan wiyar.

Spektrum elektromagnetik

Kabèh macem-macem balung elektromagnetik pas dina ukuran khusus. Gumantung saka dawane gelombang, mbedakake (saka sing paling dawa nganti paling cendhak):

• Gelombang radio;
• Gelombang Terahertz;
• Gelombang infra merah;
• Gelombang katon;
• Gelombang ultraviolet;
• Gelombang sinar-X;
• Gamma radiation.

Mangkono, radiasi saka kapentingan marang kita nduweni dawane gelombang cilik lan energi paling dhuwur (mula kaya mangkono kadhangkala disebut hard). Akibaté, kita nyedhaki dhèskripsi babagan difraksi sinar X.

Asal-usul sinar X

Energi sing luwih dhuwur saka radiasi, luwih angel kanggo entuk artificially. Sawise pegatan geni, wong nampa akeh sinar UV, amarga transfer panas. Nanging, difraksi sinar-X kedadeyan ing struktur spasial, akeh karya sing kudu dilakoni. Supaya, radiasi elektromagnetik iki diluncurake, yen sampeyan ngetokake elektron saka cangkang atom, sing cedhak karo inti. Elektron sing ana ing ndhuwur cenderung ngisi bolongan sing dibentuk, transisi lan foton sinar X. Uga, kanthi inhibisi kuwat partikel sing duwe massa (contone, elektron), sinar energi dhuwur iki diprodhuksi. Mangkono, difraksi sinar-X ing kisi kristal diiringi pamedhahan energi sing cukup gedhe.

Ing skala industri, radiasi iki ditampa kaya ing ngisor iki:

1. Katoda mbeberake elektron kanthi energi dhuwur.
2. Elektron tabrakan karo materi anoda.
3. Elektron nyegah (ing wektu sing padha ngirimake sinar-X).
4. Ing kasus liyane, partikel panahan elektron metu saka orbit kurang saka atom saka materi anoda, sing uga ngasilake sinar X.

Uga kudu dingerteni yèn, kaya sinar elektromagnetik liyane, sinar X nduweni spektrum dhewe. Radiasi iki digunakake akeh. Saben uwong sing ngerti yen balung sing dibungkus utawa pembentukan ing paru-paru ditemokake kanthi bener kanthi bantuan sinar X.

Struktur materi kristal

Saiki kita cedhak karo apa cara difraksi sinar X. Kanggo iki, perlu kanggo nerangake carane awak padhet disusun. Ing babagan ilmu, sawijining awak padhet diarani sembarang zat ing negara kristal. Kayu, lempung utawa kaca sing sithik, nanging kekurangan utama: struktur périodik. Nanging kristal duweni sifat sing apik banget. Jeneng-jeneng saka fenomena iki ngandhut esensi. Kanggo miwiti, kita kudu ngerti yen atom-atom ing kristal diukur kanthi tegas. Obligasi ing antarané duwe sawetara tingkat elastisitas, nanging padha kuwat banget kanggo atom supaya pindhah ing kisi. Ewonan kasebut bisa, nanging kanthi efek njaba sing kuat banget. Contone, yen kristal logam bengkok, titik cacat saka macem-macem jinis dibentuk ing: ing sawetara panggonan atom ninggalake papane, mbentuk kekosongan, ing wong-wong mau pindhah menyang posisi sing ora dianggep, mbentuk cacat penyisipan. Ing titik mlengkung, kristal bakal kélangan struktur kristal ramping, dadi rusak banget, tipis. Mulane, klip, sing ora diaktifake sepisan, luwih apik ora digunakake, amarga logam ilang sifate.

Yen atom-atom kasebut diukur sacara kaku, ora bisa disusun maneh kanthi sithik-sithik kayata ing cairan. Padha kudu diatur kanthi cara kaya mengkono kanggo ngurangi energi interaksi kasebut. Mangkene, atom-atom kasebut dibarengi ing kisi. Ing saben kisi ana set atom sing paling tithik, mliginé ing papan, minangka sel elementer kristal. Yen rampung disiyarake, yaiku, kanggo gabungke ujung-ujung liyane, ngowahi arah maneka warna, kita entuk kabeh kristal. Nanging, sampeyan kudu ngelingake yen iki model. Saben kristal nyata duwe cacat, lan meh ora bisa ngalami siaran sing bener-bener akurat. Unsur memori silikon modern sing cedhak karo kristal becik. Nanging, entuk manfaat kasebut mbutuhake jumlah energi lan sumber daya sing luar biasa. Ing laboratorium, para ilmuwan entuk struktur sing sampurna saka macem-macem jinis, nanging, minangka aturan, biaya nggawe wong-wong mau banget gedhe. Nanging kita bakal nganggep yen kabeh kristal iku ideal: ing arah apa wae, atom padha bakal dumunung ing jarak sing padha saka siji liyane. Struktur kasebut diarani kisi kristal.

Investigasi struktur kristal

Iku amarga kasunyatan iki yen difraksi sinar-X ing kristal bisa. Struktur kristal périodik nampilake pirang-pirang pesawat ing endi ana luwih saka atom tinimbang ing arah liyane. Kadhangkala pesawat iki disetel dening simetri saka kisi kristal, kadhangkala kanthi pengaturan saka atom kasebut. Saben pesawat ditugasake sebutan dhewe. Jarak antarane pesawat cilik banget: ing urutan sawetara angstroms (eling, angstrom 10 ^-10 meter utawa 0.1 nanometer).

Nanging, pesawat siji arah ing sembarang kristal nyata, sanajan cilik banget, akeh. Difraksi sinar-X sebagai cara menggunakan fakta ini: semua gelombang yang telah mengubah arah pada pesawat satu arah dijumlahkan, memberikan sinyal yang cukup jelas pada output. Mulane para ilmuwan bisa ngerti apa arah ing kristal pesawat-pesawat kasebut, lan ngadili struktur internal struktur kristal. Nanging, mung data iki ora cukup. Saliyane sudut cendhak, kudu ngerti jarak antarane pesawat. Tanpa iki, sampeyan bisa entuk pirang-pirang struktur model sing beda-beda, nanging ora ngerti jawaban sing tepat. Babagan carane para ilmuwan sinau babagan jarak antarane pesawat, bakal luwih cilik.

Fenomena difraksi

Kita wis diwenehi pembenaran fisik kanggo apa difraksi sinar-X ing kristal kristal. Nanging, durung diterangake ing inti fenomena difraksi. Dadi, difraksi kasebut nutupi dening ombak (kalebu elektromagnetik) saka alangan. Fenomena iki misale jek nglanggar hukum optik linier, nanging iki ora dadi. Punika rapet hubungane karo gangguan lan sipat gelombang, contone, foton. Yen ana kendala ing jalur cahya, mula foton difraksi bisa "melirik" ing pojok. Carane adoh arah propagasi cahya saka deviates rectilinear gumantung ing ukuran alangan. Sing luwih cilik, alangane gelombang elektromagnetik sing luwih cilik. Dadi difraksi sinar-X ing kristal tunggal dilakokaké kanthi bantuan gelombang cendhak kaya mangkéné: jarak antara pesawat cilik banget, foton optik ora mung "nyusup" ing antarane, nanging mung nggambarake saka permukaan.

Konsep kuwi bener, nanging ing èlmu modern iki dianggep banget. Kanggo nggedhekake definisi, uga kanggo erudition umum, kita menehi cara ngetokake gelombang difraksi.

1. Ganti struktur ombak spasial. Contone, expansion saka sudut propagasi saka balok gelombang, defleksi saka gelombang utawa sawetara ombak ing sawetara arah sing dipilih. Kanggo fenomena kelas kasebut, amplop gelombang saka obyek sing gegayutan.
2. Penguraian gelombang menyang spektrum.
3. Ganti polarisasi gelombang.
4. Transformasi struktur fasa gelombang.

Fenomena difraksi bebarengan karo gangguan campur tangane tanggung jawab kanggo kasunyatan yen nalika sinar lampu diarahake menyang celah sing sempit, kita ora bakal nemokake sawetara sing luwih akeh. Sing luwih dhuwur saka tengah cemeng, luwih dhuwur urutane. Kajaba iku, kanthi rumusan eksperimen sing bener, bayangan saka jarum jahitan biasa (alami, tipis) dipérang dadi pirang-pirang band, kanthi maksimal lampu, ora minimal, ing mburi jarum.

Rumus Wolf-Bragg

Kita wis ngandika ing ndhuwur yen sinyal final dumadi saka kabeh foton sinar-X, sing bakal katon saka pesawat kanthi slope sing padha ing njero kristal. Nanging kanggo ngitung struktur kasebut kanthi akurat ngidini siji hubungan penting. Tanpa kasebut, difraksi sinar-X bakal ora ana guna. Rumus Wolf-Bragg katon kaya iki: 2dsinƟ = nλ. Ing ngisor iki d iku jarak antara pesawat karo slope sing padha, θ iku sudut siklus (sudut Bragg), utawa sudut sing kedadeyan ing bidang, n yaiku urutan maksimum difraksi, lan λ minangka panjang gelombang. Wiwit dikawruhi sadurunge spektrum sinar-X sing dipigunakaké kanggo njupuk data lan ing ngendi sinar radiasi iki, rumus iki bisa ngétung nilai d. Saksuwene sing luwih dhuwur, kita wis nyatakake yen tanpa informasi iki, mokal kanggo mbenake struktur zat kasebut sacara akurat.

Aplikasi modern difraksi sinar X

Pitakonan muncul: ing kasus apa analisis iki perlu, ora para ilmuwan wis ngetrapake kabeh ing jagad struktur, lan yen nalika wong bisa ngandhut zat-zat anyar sing anyar, ora bisa nyana apa sing diarepake? Ana papat jawaban.

1. Ya, kita sinau planet kita cukup. Nanging saben taun dheweke nemokake mineral anyar. Kadhangkala struktur kasebut bisa uga dianggep tanpa sinar x ora bisa.
2. Akeh ilmuwan nyoba nambah sipat materi sing ana. Bahan kasebut ditudhuhake ing macem-macem jinis proses (tekanan, temperatur, laser, lan liya-liyane). Kadhangkala unsur ditambahake utawa dibusak saka strukture. Kanggo mangerteni bab ulang internal sing ana ing kasus iki, difraksi sinar-X ing kristal bakal mbantu.
3. Kanggo sawetara aplikasi (contone, kanggo media aktif laser, kertu memori, unsur optik sistem pengawasan), kristal kudu banget sarujuk karo persyaratane. Mulane, struktur sing diuji nggunakake metode iki.
4. Difraksi sinar-X adalah satu-satunya cara kangge nemtokake jumlah lan fase sing wis diduweni ing sintesis ing sistem multikomponen. Elemen keramik teknologi modern bisa dadi conto sistem kasebut. Ing ngarsane fase sing ora dikarepake bisa duwe akibat serius.

Panaliten spasi

Akeh wong sing takon: "Yagene kita butuh observasi ageng ing orbit Bumi, kenapa kita butuh rover, yen manungsa durung ngrampungake masalah kemiskinan lan perang?"

Saben uwong duwe kebanjiran lan konsekuensi dhewe, nanging jelas yen manungsa kudu ngimpi.

Mulane, ngerteni lintang-lintang, saiki kita bisa ngomong kanthi yakin: kita luwih ngerti babagan saben dina.

Sinar-X saka proses-proses sing kedadeyan ing papan ora bisa nempuh permukaan planet kita, sing diserap dening atmosfer. Nanging bagean saka spektrum elektromagnetik iki nyedhiyakake akèh data fénoména kanthi energi dhuwur. Mulane, instrumen sing nyinaoni sinar X kudu dicopot saka bumi, menyang orbit. Stasiun saiki lagi sinau obyek ing ngisor iki:

• Suntik saka letupan supernova;
• Pusat galaksi;
• Lintang-lintang Neutron;
• Bolongan ireng;
• Pelanggaran obyek sing gedhé (galaksi, kelompok galaksi).

Kaget, kanggo proyèk beda, akses menyang stasiun kasebut diwenehake marang para siswa lan malah kanggo bocah-bocah sekolah. Dheweke sinau sinar sinar X saka ruang jero: difraksi, campur tangan, spektrum dadi subyek saka kapentingane. Lan sawetara peminat sing ngemudheni obyek kasebut nggawe panemuan. Maca sing bisa ngerteni bisa, mesthi, argue yen dheweke mung duwe wektu kanggo njupuk gambar ing resolusi gedhe lan ndeleng rincian sing subtle. Lan mesthine, pentinge penemuan, minangka aturan, mung dimangerteni dening ilmuwan astronomi sing serius. Nanging kasus kasebut ngidhentifikasi wong-wong muda supaya nyedhiyakake urip kanggo njelajah angkasa. Lan gol iki pantes kanggo ngetutake.

Mangkono, prestasi Wilhelm Konrad Roentgen wis mbukak akses menyang pengetahuan lintang lan kemampuan kanggo numpes planèt liya.