تحتوي هذه المقالة على وصف لشيء مثل حيود الأشعة السينية. يتم هنا شرح الأساس المادي لهذه الظاهرة وتطبيقاتها.
تقنيات إنشاء مواد جديدة
الابتكار ، تكنولوجيا النانو هي اتجاه العالم الحديث. الأخبار مليئة بتقارير عن مواد ثورية جديدة. لكن قلة من الناس يفكرون فيما يحتاجه جهاز بحث ضخم للعلماء لإحداث تحسين طفيف على الأقل في التقنيات الحالية. أحد الظواهر الأساسية التي تساعد الناس على فعل ذلك هي حيود الأشعة السينية.
الإشعاع الكهرومغناطيسي
تحتاج أولاً إلى شرح ماهية الإشعاع الكهرومغناطيسي. يولد أي جسم مشحون متحرك مجالًا كهرومغناطيسيًا حول نفسه. هذه الحقول تسود كل شيء حولها ، حتى فراغ الفضاء السحيق لا يخلو منها. إذا كانت هناك اضطرابات دورية في مثل هذا المجال يمكن أن تنتشر في الفضاء ، فإنها تسمى الإشعاع الكهرومغناطيسي. لوصفه ، يتم استخدام مفاهيم مثل الطول الموجي والتردد وطاقته. ما هي الطاقة أمر بديهي ، والطول الموجي هو المسافة بينمراحل متطابقة (على سبيل المثال ، بين حد أقصى متجاور). كلما زاد الطول الموجي (وبالتالي التردد) ، انخفضت طاقته. تذكر أن هذه المفاهيم ضرورية لوصف ما هو حيود الأشعة السينية بإيجاز وإيجاز.
الطيف الكهرومغناطيسي
تناسب جميع أنواع الأشعة الكهرومغناطيسية مقياسًا خاصًا. اعتمادًا على الطول الموجي ، يميزون (من الأطول إلى الأقصر):
- موجات راديو ؛
- موجات تيراهيرتز ؛
- موجات الأشعة تحت الحمراء ؛
- موجات مرئية
- موجات فوق بنفسجية
- موجات الأشعة السينية ؛
- إشعاع جاما.
وهكذا ، فإن للإشعاع الذي نهتم به طول موجي قصير جدًا وأعلى طاقات (وهذا هو سبب تسميته أحيانًا بالصلابة). لذلك ، نحن نقترب من وصف ما هو حيود الأشعة السينية.
أصل الأشعة السينية
كلما زادت طاقة الإشعاع ، زادت صعوبة الحصول عليها بشكل مصطنع. بعد إشعال النار ، يتلقى الشخص الكثير من الأشعة تحت الحمراء ، لأنها تنقل الحرارة. ولكن لكي يحدث حيود الأشعة السينية بواسطة الهياكل المكانية ، يجب بذل الكثير من الجهد. لذلك ، يتم إطلاق هذا النوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي عندما يتم إخراج إلكترون من غلاف الذرة ، القريبة من النواة. تميل الإلكترونات الموجودة أعلاه إلى ملء الثقب الناتج وتحولاتها وإعطاء فوتونات الأشعة السينية. أيضًا ، أثناء التباطؤ الحاد للجسيمات المشحونة ذات الكتلة (على سبيل المثال ،الإلكترونات) ، يتم إنتاج هذه الحزم عالية الطاقة. وبالتالي ، فإن حيود الأشعة السينية على الشبكة البلورية يكون مصحوبًا بإنفاق كمية كبيرة إلى حد ما من الطاقة.
على النطاق الصناعي ، يتم الحصول على هذا الإشعاع على النحو التالي:
- يصدر الكاثود إلكترونًا عالي الطاقة.
- يصطدم الإلكترون بمادة الأنود.
- يتباطأ الإلكترون بشكل حاد (أثناء إصدار الأشعة السينية).
- في حالة أخرى ، يقوم الجسيم المتباطئ بإخراج الإلكترون من مدار الذرة المنخفض من مادة الأنود ، والتي تولد أيضًا أشعة سينية.
من الضروري أيضًا أن نفهم أن للأشعة السينية ، مثل أي إشعاع كهرومغناطيسي آخر ، طيفها الخاص. هذا الإشعاع نفسه يستخدم على نطاق واسع. يعلم الجميع أنه يتم البحث عن عظم مكسور أو كتلة في الرئتين بمساعدة الأشعة السينية.
هيكل مادة بلورية
الآن اقتربنا من طريقة حيود الأشعة السينية. للقيام بذلك ، من الضروري شرح كيفية ترتيب الجسم الصلب. في العلم ، يسمى الجسم الصلب أي مادة في الحالة البلورية. الخشب أو الطين أو الزجاج صلبة ، لكنها تفتقر إلى الشيء الرئيسي: الهيكل الدوري. لكن البلورات لها هذه الخاصية المدهشة. يحتوي اسم هذه الظاهرة على جوهرها. تحتاج أولاً إلى فهم أن الذرات الموجودة في البلورة ثابتة بشكل صارم. تتمتع الروابط بينهما بدرجة معينة من المرونة ، لكنها قوية جدًا بحيث لا تستطيع الذرات التحرك داخلها.حواجز شبكية. مثل هذه الحلقات ممكنة ، لكن بتأثير خارجي قوي جدًا. على سبيل المثال ، في حالة ثني بلورة معدنية ، تتشكل فيها عيوب نقطية من أنواع مختلفة: في بعض الأماكن ، تترك الذرة مكانها ، وتشكل فراغًا ، وفي أماكن أخرى ، تنتقل إلى المواضع الخاطئة ، وتشكل عيبًا خلاليًا. في مكان المنعطف ، تفقد البلورة هيكلها البلوري النحيف ، وتصبح معيبة للغاية ، وفضفاضة. لذلك من الأفضل عدم استخدام مشبك ورق تم فكه مرة واحدة ، لأن المعدن فقد خصائصه.
إذا كانت الذرات ثابتة بشكل صارم ، فلا يمكن ترتيبها بشكل عشوائي بالنسبة لبعضها البعض ، كما هو الحال في السوائل. يجب أن ينظموا أنفسهم بطريقة تقلل من طاقة تفاعلهم. وهكذا ، تصطف الذرات في شبكة. يوجد في كل شبكة مجموعة صغيرة من الذرات مرتبة بطريقة خاصة في الفضاء - هذه هي الخلية الأولية للبلورة. إذا قمنا ببثها بالكامل ، أي دمج الحواف مع بعضها البعض ، والتحول في أي اتجاه ، فسنحصل على البلورة بأكملها. ومع ذلك ، يجدر بنا أن نتذكر أن هذا نموذج. أي بلورة حقيقية بها عيوب ، ويكاد يكون من المستحيل تحقيق ترجمة دقيقة تمامًا. خلايا ذاكرة السيليكون الحديثة قريبة من البلورات المثالية. ومع ذلك ، فإن الحصول عليها يتطلب كميات هائلة من الطاقة والموارد الأخرى. في المختبر ، يحصل العلماء على هياكل مثالية من مختلف الأنواع ، ولكن كقاعدة عامة ، فإن تكاليف إنشائها باهظة للغاية. لكننا سنفترض أن كل البلورات مثالية: في أي منهافي الاتجاه ، سيتم وضع نفس الذرات على نفس المسافات من بعضها البعض. تسمى هذه البنية بالشبكة البلورية.
دراسة التركيب البلوري
يرجع هذا إلى حقيقة أن حيود الأشعة السينية على البلورات ممكن. يخلق التركيب الدوري للبلورات مستويات معينة فيها ، حيث توجد ذرات أكثر من الاتجاهات الأخرى. في بعض الأحيان يتم ضبط هذه المستويات من خلال تناظر الشبكة البلورية ، وأحيانًا عن طريق الترتيب المتبادل للذرات. يتم تعيين كل طائرة تعيينها الخاص. المسافات بين الطائرات صغيرة جدًا: بترتيب عدة أنجستروم (تذكر أن الأنجستروم هي 10-10متر أو 0.1 نانومتر).
ومع ذلك ، هناك العديد من الطائرات في نفس الاتجاه في أي بلورة حقيقية ، حتى ولو كانت صغيرة جدًا. يستغل حيود الأشعة السينية هذه الحقيقة كطريقة: يتم تلخيص جميع الموجات التي غيرت اتجاهها على مستويات من نفس الاتجاه ، مما يعطي إشارة واضحة إلى حد ما عند الخرج. لذلك يمكن للعلماء فهم الاتجاهات التي تقع فيها هذه الطائرات داخل البلورة ، والحكم على البنية الداخلية للبنية البلورية. ومع ذلك ، فإن هذه البيانات وحدها ليست كافية. بالإضافة إلى زاوية الميل ، تحتاج أيضًا إلى معرفة المسافة بين المستويين. بدون هذا ، يمكنك الحصول على آلاف النماذج المختلفة للهيكل ، لكن لا تعرف الإجابة الدقيقة. ستتم مناقشة كيف يتعلم العلماء عن المسافة بين الطائرات أدناه.
ظاهرة الحيود
لقد قدمنا بالفعل تبريرًا ماديًا لما هو حيود الأشعة السينية على الشبكة المكانية للبلورات. ومع ذلك ، فإننا لم نشرح الجوهر بعدظاهرة الحيود. إذن ، الحيود هو تقريب العوائق بواسطة الموجات (بما في ذلك الموجات الكهرومغناطيسية). يبدو أن هذه الظاهرة تشكل انتهاكًا لقانون البصريات الخطية ، لكنها ليست كذلك. يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالتداخل وخصائص الموجة ، على سبيل المثال ، الفوتونات. إذا كان هناك عائق في طريق الضوء ، فبسبب الانعراج ، يمكن للفوتونات "النظر" حول الزاوية. يعتمد مدى انتقال الضوء من خط مستقيم على حجم العائق. كلما كان العائق أصغر ، يجب أن يكون طول الموجة الكهرومغناطيسية أقصر. لهذا السبب يتم إجراء حيود الأشعة السينية على بلورات مفردة باستخدام مثل هذه الموجات القصيرة: فالمسافة بين المستويين صغيرة جدًا ، والفوتونات الضوئية ببساطة لن "تزحف" بينهما ، ولكنها ستنعكس فقط من السطح.
هذا المفهوم صحيح ، لكن في العلم الحديث يعتبر ضيقًا جدًا. لتوسيع تعريفه ، وكذلك بالنسبة لسعة الاطلاع العامة ، نقدم طرقًا لإظهار حيود الموجة.
- تغيير التركيب المكاني للأمواج. على سبيل المثال ، توسيع زاوية انتشار الحزمة الموجية ، وانحراف موجة أو سلسلة من الموجات في اتجاه ما مفضل. تنتمي هذه الفئة من الظواهر إلى الانحناء الموجي حول العوائق.
- تحلل الموجات إلى طيف
- تغيير في استقطاب الموجة.
- تحول هيكل طور الأمواج.
ظاهرة الانعراج مع التداخل هي المسؤولة عن حقيقة أنه عندما يتم توجيه شعاع من الضوء إلى شق ضيق خلفه ، فإننا لا نرى شيئًا واحدًا بل عدةالحد الأقصى للضوء. كلما كان الحد الأقصى بعيدًا عن منتصف الفتحة ، ارتفع ترتيبها. بالإضافة إلى ذلك ، مع الإعداد الصحيح للتجربة ، يتم تقسيم الظل من إبرة خياطة عادية (رفيعة بالطبع) إلى عدة خطوط ، ويتم ملاحظة الحد الأقصى للضوء خلف الإبرة تمامًا ، وليس الحد الأدنى.
صيغة Wulf-Bragg
سبق أن قلنا أعلاه أن الإشارة النهائية هي مجموع كل فوتونات الأشعة السينية المنعكسة من المستويات التي لها نفس الميل داخل البلورة. لكن هناك علاقة واحدة مهمة تسمح لك بحساب الهيكل بدقة. بدونها ، سيكون حيود الأشعة السينية عديم الفائدة. تبدو صيغة Wulf-Bragg كما يلي: 2dsinƟ=nλ. هنا d هي المسافة بين المستويات التي لها نفس زاوية الميل ، θ هي زاوية النظرة الخاطفة (زاوية Bragg) ، أو زاوية السقوط على المستوى ، n هي ترتيب الحد الأقصى للانعراج ، هو الطول الموجي. نظرًا لأنه من المعروف مسبقًا أي طيف للأشعة السينية يُستخدم للحصول على البيانات وبأي زاوية يسقط هذا الإشعاع ، تتيح لنا هذه الصيغة حساب قيمة d. لقد قلنا بالفعل أعلى قليلاً أنه بدون هذه المعلومات من المستحيل الحصول بدقة على بنية المادة.
التطبيق الحديث لانحراف الأشعة السينية
السؤال الذي يطرح نفسه: في أي الحالات يحتاج هذا التحليل ، ألم يستكشف العلماء بالفعل كل شيء في عالم البنية ، ولا يفترض الناس ، عند الحصول على مواد جديدة بشكل أساسي ، نوع النتيجة التي تنتظرهم ؟ هناك أربع إجابات.
- نعم ، تعرفنا على كوكبنا جيدًا. ولكن كل عام يتم العثور على معادن جديدة. في بعض الأحيان يكون هيكلها متساويًاتخمين بدون صور اشعة لن يعمل
- يحاول العديد من العلماء تحسين خصائص المواد الموجودة بالفعل. تخضع هذه المواد لأنواع مختلفة من المعالجة (الضغط ، درجة الحرارة ، الليزر ، إلخ). في بعض الأحيان يتم إضافة العناصر إلى هيكلها أو إزالتها منه. سيساعد حيود الأشعة السينية على البلورات في فهم الترتيبات الداخلية التي حدثت في هذه الحالة.
- بالنسبة لبعض التطبيقات (على سبيل المثال ، الوسائط النشطة ، والليزر ، وبطاقات الذاكرة ، والعناصر البصرية لأنظمة المراقبة) ، يجب أن تكون البلورات متطابقة بدقة شديدة. لذلك ، يتم فحص هيكلها باستخدام هذه الطريقة.
- حيود الأشعة السينية هو الطريقة الوحيدة لمعرفة عدد والمراحل التي تم الحصول عليها أثناء التوليف في الأنظمة متعددة المكونات. يمكن أن تكون العناصر الخزفية للتكنولوجيا الحديثة مثالاً على هذه الأنظمة. يمكن أن يؤدي وجود مراحل غير مرغوب فيها إلى عواقب وخيمة.
استكشاف الفضاء
يسأل الكثير من الناس: "لماذا نحتاج إلى مراصد ضخمة في مدار الأرض ، لماذا نحتاج إلى عربة جوالة إذا لم تحل البشرية بعد مشاكل الفقر والحرب؟"
لكل شخص أسبابه الخاصة المؤيدة والمعارضة ، لكن من الواضح أن الإنسانية يجب أن يكون لها حلم.
لذلك ، بالنظر إلى النجوم ، يمكننا اليوم أن نقول بثقة: نحن نعرف المزيد والمزيد عنها كل يوم.
لا تصل الأشعة السينية الناتجة عن العمليات التي تحدث في الفضاء إلى سطح كوكبنا ، بل يمتصها الغلاف الجوي. لكن هذا الجزءيحمل الطيف الكهرومغناطيسي الكثير من البيانات حول ظواهر الطاقة العالية. لذلك ، يجب إخراج الأدوات التي تدرس الأشعة السينية من الأرض إلى المدار. تدرس المحطات الموجودة حاليا الأشياء التالية:
- بقايا انفجارات سوبر نوفا ؛
- مراكز المجرات ؛
- نجوم نيوترونية ؛
- ثقوب سوداء ؛
- اصطدام الأجسام الضخمة (المجرات ، مجموعات المجرات).
بشكل مفاجئ ، وفقًا للمشاريع المختلفة ، يتم توفير الوصول إلى هذه المحطات للطلاب وحتى لأطفال المدارس. إنهم يدرسون الأشعة السينية القادمة من الفضاء السحيق: أصبح الانعراج والتداخل والطيف موضوع اهتمامهم. وبعض المستخدمين الصغار جدًا لهذه المراصد الفضائية يقومون باكتشافات. قد يعترض القارئ الدقيق ، بالطبع ، على أن لديهم الوقت الكافي للنظر إلى الصور عالية الدقة وملاحظة التفاصيل الدقيقة. وبالطبع ، فإن أهمية الاكتشافات ، كقاعدة عامة ، لا يفهمها إلا علماء الفلك الجادين. لكن مثل هذه الحالات تلهم الشباب لتكريس حياتهم لاستكشاف الفضاء. وهذا الهدف يستحق المتابعة
وهكذا ، فتحت إنجازات فيلهلم كونراد رونتجن الوصول إلى المعرفة النجمية والقدرة على قهر الكواكب الأخرى.
