Cet article contient une description d'une chose telle que la diffraction des rayons X. La base physique de ce phénomène et ses applications sont expliquées ici.
Technologies pour créer de nouveaux matériaux
Innovation, la nanotechnologie est la tendance du monde moderne. L'actualité regorge de rapports sur de nouveaux matériaux révolutionnaires. Mais peu de gens pensent à l'énorme appareil de recherche dont les scientifiques ont besoin pour créer au moins une petite amélioration dans les technologies existantes. L'un des phénomènes fondamentaux qui aident les gens à faire cela est la diffraction des rayons X.
Rayonnement électromagnétique
Vous devez d'abord expliquer ce qu'est le rayonnement électromagnétique. Tout corps chargé en mouvement génère un champ électromagnétique autour de lui. Ces champs imprègnent tout autour, même le vide de l'espace lointain n'en est pas exempt. Si dans un tel champ il y a des perturbations périodiques qui peuvent se propager dans l'espace, on parle alors de rayonnement électromagnétique. Pour le décrire, des concepts tels que la longueur d'onde, la fréquence et son énergie sont utilisés. Qu'est-ce que l'énergie est intuitive, et la longueur d'onde est la distance entrephases identiques (par exemple, entre deux maxima adjacents). Plus la longueur d'onde est élevée (et, par conséquent, la fréquence), plus son énergie est faible. Rappelons que ces concepts sont nécessaires pour décrire ce qu'est la diffraction des rayons X de manière concise et succincte.
Spectre électromagnétique
Toutes les variétés de rayons électromagnétiques tiennent sur une échelle spéciale. Selon la longueur d'onde, ils distinguent (du plus long au plus court):
- ondes radio;
- ondes térahertz;
- ondes infrarouges;
- ondes visibles;
- ondes ultraviolettes;
- Ondes de rayons X;
- rayonnement gamma.
Ainsi, le rayonnement qui nous intéresse a une longueur d'onde très courte et les énergies les plus élevées (c'est pourquoi on l'appelle parfois dur). Par conséquent, nous nous rapprochons de la description de ce qu'est la diffraction des rayons X.
L'origine des rayons X
Plus l'énergie de rayonnement est élevée, plus il est difficile de l'obtenir artificiellement. Après avoir allumé un feu, une personne reçoit beaucoup de rayonnement infrarouge, car c'est elle qui transfère la chaleur. Mais pour que la diffraction des rayons X par les structures spatiales se produise, il faut faire beaucoup d'efforts. Ainsi, ce type de rayonnement électromagnétique est libéré lorsqu'un électron est expulsé de la coquille d'un atome, qui est proche du noyau. Les électrons situés au-dessus ont tendance à remplir le trou résultant, leurs transitions et à donner des photons X. De plus, lors d'une forte décélération de particules chargées avec masse (par exemple,électrons), ces faisceaux de haute énergie sont produits. Ainsi, la diffraction des rayons X sur un réseau cristallin s'accompagne de la dépense d'une quantité d'énergie assez importante.
À l'échelle industrielle, ce rayonnement est obtenu comme suit:
- La cathode émet un électron de haute énergie.
- L'électron entre en collision avec le matériau de l'anode.
- L'électron décélère brusquement (tout en émettant des rayons X).
- Dans un autre cas, la particule en décélération fait sortir un électron de l'orbite basse de l'atome du matériau de l'anode, qui génère également des rayons X.
Il faut aussi comprendre que, comme tout autre rayonnement électromagnétique, les rayons X ont leur propre spectre. Ce rayonnement lui-même est utilisé assez largement. Tout le monde sait qu'un os cassé ou une masse dans les poumons est recherché à l'aide de rayons X.
Structure d'une substance cristalline
Maintenant, nous nous rapprochons de ce qu'est la méthode de diffraction des rayons X. Pour ce faire, il est nécessaire d'expliquer comment un corps solide est agencé. En science, un corps solide est appelé toute substance à l'état cristallin. Le bois, l'argile ou le verre sont solides, mais il leur manque l'essentiel: une structure périodique. Mais les cristaux ont cette propriété étonnante. Le nom même de ce phénomène contient son essence. Vous devez d'abord comprendre que les atomes du cristal sont fixés de manière rigide. Les liens entre eux ont un certain degré d'élasticité, mais ils sont trop forts pour que les atomes se déplacent à l'intérieur.grilles. De tels épisodes sont possibles, mais avec une très forte influence extérieure. Par exemple, si un cristal métallique est plié, des défauts ponctuels de différents types s'y forment: à certains endroits, l'atome quitte sa place, formant une vacance, à d'autres, il se déplace vers les mauvaises positions, formant un défaut interstitiel. A l'endroit du coude, le cristal perd sa structure cristalline élancée, devient très défectueux, lâche. Par conséquent, il est préférable de ne pas utiliser un trombone qui a été déplié une fois, car le métal a perdu ses propriétés.
Si les atomes sont fixés de manière rigide, ils ne peuvent plus être disposés aléatoirement les uns par rapport aux autres, comme dans les liquides. Ils doivent s'organiser de manière à minimiser l'énergie de leur interaction. Ainsi, les atomes s'alignent dans un réseau. Dans chaque réseau, il y a un ensemble minimum d'atomes disposés d'une manière spéciale dans l'espace - c'est la cellule élémentaire du cristal. Si nous le diffusons entièrement, c'est-à-dire que nous combinons les bords les uns avec les autres, en nous déplaçant dans n'importe quelle direction, nous obtiendrons le cristal entier. Cependant, il convient de rappeler qu'il s'agit d'un modèle. Tout vrai cristal a des défauts et il est presque impossible d'obtenir une traduction absolument précise. Les cellules de mémoire en silicium modernes sont proches des cristaux idéaux. Cependant, leur obtention nécessite des quantités incroyables d'énergie et d'autres ressources. En laboratoire, les scientifiques obtiennent des structures parfaites de différents types, mais, en règle générale, les coûts de leur création sont trop élevés. Mais nous supposerons que tous les cristaux sont idéaux: en toutdirection, les mêmes atomes seront situés aux mêmes distances les uns des autres. Cette structure s'appelle un réseau cristallin.
Étude de la structure cristalline
C'est grâce à cela que la diffraction des rayons X sur les cristaux est possible. La structure périodique des cristaux crée certains plans en eux, dans lesquels il y a plus d'atomes que dans d'autres directions. Parfois, ces plans sont définis par la symétrie du réseau cristallin, parfois par l'arrangement mutuel des atomes. Chaque avion se voit attribuer sa propre désignation. Les distances entre les plans sont très faibles: de l'ordre de quelques angströms (rappelons qu'un angström vaut 10-10 mètre soit 0,1 nanomètre).
Cependant, il existe de nombreux plans de même direction dans tout cristal réel, même un très petit. La diffraction des rayons X en tant que méthode exploite ce fait: toutes les ondes qui ont changé de direction sur des plans de même direction sont additionnées, donnant un signal assez clair à la sortie. Ainsi, les scientifiques peuvent comprendre dans quelles directions ces plans sont situés à l'intérieur du cristal et juger de la structure interne de la structure cristalline. Cependant, ces données seules ne suffisent pas. En plus de l'angle d'inclinaison, vous devez également connaître la distance entre les plans. Sans cela, vous pouvez obtenir des milliers de modèles différents de la structure, mais sans connaître la réponse exacte. La façon dont les scientifiques apprennent la distance entre les avions sera discutée ci-dessous.
Phénomène de diffraction
Nous avons déjà donné une justification physique de ce qu'est la diffraction des rayons X sur le réseau spatial des cristaux. Cependant, nous n'avons pas encore expliqué l'essencephénomènes de diffraction. Ainsi, la diffraction est le contournement des obstacles par les ondes (y compris électromagnétiques). Ce phénomène semble être une violation de la loi de l'optique linéaire, mais ce n'est pas le cas. Elle est étroitement liée aux interférences et aux propriétés ondulatoires des photons, par exemple. S'il y a un obstacle sur le chemin de la lumière, alors en raison de la diffraction, les photons peuvent "regarder" au coin de la rue. La distance parcourue par la lumière à partir d'une ligne droite dépend de la taille de l'obstacle. Plus l'obstacle est petit, plus la longueur d'onde électromagnétique doit être courte. C'est pourquoi la diffraction des rayons X sur des monocristaux est réalisée à l'aide d'ondes aussi courtes: la distance entre les plans est très petite, les photons optiques ne « ramperont » tout simplement pas entre eux, mais seront uniquement réfléchis par la surface.
Un tel concept est vrai, mais dans la science moderne, il est considéré comme trop étroit. Pour élargir sa définition, ainsi que pour l'érudition générale, nous présentons des méthodes pour la manifestation de la diffraction des ondes.
- Changer la structure spatiale des vagues. Par exemple, l'expansion de l'angle de propagation d'un faisceau d'ondes, la déviation d'une onde ou d'une série d'ondes dans une direction préférée. C'est à cette classe de phénomènes qu'appartient la courbure des ondes autour des obstacles.
- Décomposition des ondes en un spectre.
- Changement de polarisation des ondes.
- Transformation de la structure de phase des ondes.
Le phénomène de diffraction, associé aux interférences, est responsable du fait que lorsqu'un faisceau de lumière est dirigé vers une fente étroite derrière lui, nous voyons non pas un, mais plusieursmaxima lumineux. Plus le maximum est éloigné du milieu de la fente, plus son ordre est élevé. De plus, avec le réglage correct de l'expérience, l'ombre d'une aiguille à coudre ordinaire (bien sûr, fine) est divisée en plusieurs bandes, et le maximum de lumière est observé exactement derrière l'aiguille, et non le minimum.
Formule de Wulf-Bragg
Nous avons déjà dit plus haut que le signal final est la somme de tous les photons X qui sont réfléchis par des plans de même inclinaison à l'intérieur du cristal. Mais une relation importante vous permet de calculer avec précision la structure. Sans elle, la diffraction des rayons X serait inutile. La formule de Wulf-Bragg ressemble à ceci: 2dsinƟ=nλ. Ici d est la distance entre plans de même angle d'inclinaison, θ est l'angle de rasage (angle de Bragg), ou l'angle d'incidence sur le plan, n est l'ordre du maximum de diffraction, λ est la longueur d'onde. Comme on sait à l'avance quel spectre de rayons X est utilisé pour obtenir des données et à quel angle tombe ce rayonnement, cette formule nous permet de calculer la valeur de d. Nous avons déjà dit un peu plus haut que sans cette information il est impossible d'obtenir avec précision la structure d'une substance.
Application moderne de la diffraction des rayons X
La question se pose: dans quels cas cette analyse est-elle nécessaire, les scientifiques n'ont-ils pas déjà tout exploré dans le monde de la structure, et les gens, lorsqu'ils obtiennent des substances fondamentalement nouvelles, ne supposent-ils pas quel type de résultat les attend ? Il y a quatre réponses.
- Oui, nous avons appris à bien connaître notre planète. Mais chaque année, de nouveaux minéraux sont découverts. Parfois, leur structure est mêmedeviner sans rayons X ne fonctionnera pas.
- De nombreux scientifiques tentent d'améliorer les propriétés de matériaux déjà existants. Ces substances sont soumises à différents types de traitement (pression, température, lasers, etc.). Parfois, des éléments sont ajoutés ou supprimés de leur structure. La diffraction des rayons X sur les cristaux aidera à comprendre quels réarrangements internes se sont produits dans ce cas.
- Pour certaines applications (par exemple, les supports actifs, les lasers, les cartes mémoire, les éléments optiques des systèmes de surveillance), les cristaux doivent être très précisément appariés. Par conséquent, leur structure est vérifiée à l'aide de cette méthode.
- La diffraction des rayons X est le seul moyen de savoir combien et quelles phases ont été obtenues lors de la synthèse dans des systèmes multicomposants. Les éléments en céramique de la technologie moderne peuvent servir d'exemple de tels systèmes. La présence de phases indésirables peut entraîner de graves conséquences.
Exploration spatiale
Beaucoup de gens demandent: "Pourquoi avons-nous besoin d'immenses observatoires en orbite terrestre, pourquoi avons-nous besoin d'un rover si l'humanité n'a pas encore résolu les problèmes de pauvreté et de guerre ?"
Chacun a ses propres raisons pour et contre, mais il est clair que l'humanité doit avoir un rêve.
Par conséquent, en regardant les étoiles, nous pouvons aujourd'hui dire avec confiance: nous en savons de plus en plus sur elles chaque jour.
Les rayons X provenant de processus se produisant dans l'espace n'atteignent pas la surface de notre planète, ils sont absorbés par l'atmosphère. Mais cette partieLe spectre électromagnétique contient de nombreuses données sur les phénomènes de haute énergie. Par conséquent, les instruments qui étudient les rayons X doivent être sortis de la Terre, en orbite. Les stations actuellement existantes étudient les objets suivants:
- restes d'explosions de supernova;
- centres de galaxies;
- étoiles à neutrons;
- trous noirs;
- collisions d'objets massifs (galaxies, groupes de galaxies).
Étonnamment, selon divers projets, l'accès à ces stations est assuré aux étudiants et même aux écoliers. Ils étudient les rayons X provenant de l'espace lointain: diffraction, interférence, spectre deviennent l'objet de leur intérêt. Et certains très jeunes utilisateurs de ces observatoires spatiaux font des découvertes. Un lecteur méticuleux peut, bien sûr, objecter qu'il a juste le temps de regarder des images en haute résolution et de remarquer des détails subtils. Et bien sûr, l'importance des découvertes, en règle générale, n'est comprise que par les astronomes sérieux. Mais de tels cas incitent les jeunes à consacrer leur vie à l'exploration spatiale. Et cet objectif vaut la peine d'être poursuivi.
Ainsi, les réalisations de Wilhelm Conrad Roentgen ont ouvert l'accès aux connaissances stellaires et la capacité de conquérir d'autres planètes.
