Artikel ini berisi deskripsi tentang difraksi sinar-X. Dasar fisik dari fenomena ini dan penerapannya dijelaskan di sini.
Teknologi untuk membuat materi baru
Inovasi, nanoteknologi adalah tren dunia modern. Berita ini penuh dengan laporan materi revolusioner baru. Tetapi hanya sedikit orang yang berpikir tentang apa yang dibutuhkan oleh para ilmuwan peralatan penelitian besar untuk menciptakan setidaknya sedikit perbaikan dalam teknologi yang ada. Salah satu fenomena mendasar yang membantu orang melakukan ini adalah difraksi sinar-X.
Radiasi elektromagnetik
Pertama Anda perlu menjelaskan apa itu radiasi elektromagnetik. Setiap benda bermuatan yang bergerak menghasilkan medan elektromagnetik di sekitarnya. Medan-medan ini meliputi segala sesuatu di sekitarnya, bahkan kevakuman ruang angkasa pun tidak lepas darinya. Jika dalam medan seperti itu ada gangguan periodik yang dapat merambat di ruang angkasa, itu disebut radiasi elektromagnetik. Untuk menggambarkannya, digunakan konsep seperti panjang gelombang, frekuensi dan energinya. Apa itu energi intuitif, dan panjang gelombang adalah jarak antarafase identik (misalnya, antara dua maxima yang berdekatan). Semakin tinggi panjang gelombang (dan, karenanya, frekuensi), semakin rendah energinya. Ingatlah bahwa konsep-konsep ini diperlukan untuk menjelaskan apa itu difraksi sinar-X secara ringkas dan ringkas.
Spektrum elektromagnetik
Semua jenis sinar elektromagnetik cocok pada skala khusus. Tergantung pada panjang gelombang, mereka membedakan (dari yang terpanjang ke yang terpendek):
- gelombang radio;
- gelombang terahertz;
- gelombang inframerah;
- gelombang tampak;
- gelombang ultraviolet;
- gelombang sinar-X;
- radiasi gamma.
Jadi, radiasi yang kita minati memiliki panjang gelombang yang sangat pendek dan energi tertinggi (itulah sebabnya kadang-kadang disebut keras). Oleh karena itu, kita semakin dekat untuk menjelaskan apa itu difraksi sinar-X.
Asal usul sinar-X
Semakin tinggi energi radiasi, semakin sulit untuk mendapatkannya secara artifisial. Setelah membuat api, seseorang menerima banyak radiasi inframerah, karena itulah yang mentransfer panas. Tetapi agar difraksi sinar-X oleh struktur spasial terjadi, banyak upaya harus dilakukan. Jadi, jenis radiasi elektromagnetik ini dilepaskan ketika sebuah elektron dikeluarkan dari kulit atom yang dekat dengan nukleus. Elektron yang terletak di atas cenderung mengisi lubang yang dihasilkan, transisi mereka dan memberikan foton sinar-X. Juga, selama perlambatan tajam partikel bermuatan dengan massa (misalnya,elektron), sinar energi tinggi ini dihasilkan. Dengan demikian, difraksi sinar-X pada kisi kristal disertai dengan pengeluaran energi yang cukup besar.
Pada skala industri, radiasi ini diperoleh sebagai berikut:
- Katoda memancarkan elektron berenergi tinggi.
- Elektron bertabrakan dengan bahan anoda.
- Elektron melambat tajam (sambil memancarkan sinar-X).
- Dalam kasus lain, partikel yang melambat membuat elektron keluar dari orbit rendah atom dari bahan anoda, yang juga menghasilkan sinar-X.
Penting juga untuk memahami bahwa, seperti radiasi elektromagnetik lainnya, sinar-X memiliki spektrumnya sendiri. Radiasi ini sendiri digunakan cukup luas. Semua orang tahu bahwa patah tulang atau massa di paru-paru dicari dengan bantuan rontgen.
Struktur zat kristal
Sekarang kita mendekati apa itu metode difraksi sinar-X. Untuk melakukan ini, perlu dijelaskan bagaimana benda padat diatur. Dalam sains, benda padat disebut zat apa pun dalam keadaan kristal. Kayu, tanah liat atau kaca padat, tetapi tidak memiliki hal utama: struktur periodik. Tetapi kristal memiliki sifat yang menakjubkan ini. Nama fenomena ini mengandung esensinya. Pertama, Anda perlu memahami bahwa atom-atom dalam kristal ditetapkan secara kaku. Ikatan di antara mereka memiliki tingkat elastisitas tertentu, tetapi terlalu kuat bagi atom untuk bergerak di dalamnya.kisi-kisi. Episode seperti itu mungkin terjadi, tetapi dengan pengaruh eksternal yang sangat kuat. Misalnya, jika kristal logam ditekuk, cacat titik dari berbagai jenis terbentuk di dalamnya: di beberapa tempat, atom meninggalkan tempatnya, membentuk kekosongan, di tempat lain, ia bergerak ke posisi yang salah, membentuk cacat interstisial. Di tempat tikungan, kristal kehilangan struktur kristalnya yang ramping, menjadi sangat rusak, longgar. Oleh karena itu, sebaiknya tidak menggunakan penjepit kertas yang sudah pernah dibengkokkan, karena logam telah kehilangan sifat-sifatnya.
Jika atom-atom difiksasi secara kaku, mereka tidak dapat lagi disusun secara acak relatif satu sama lain, seperti dalam cairan. Mereka harus mengatur diri mereka sendiri sedemikian rupa untuk meminimalkan energi interaksi mereka. Dengan demikian, atom-atom berbaris dalam kisi. Di setiap kisi ada set atom minimum yang diatur dengan cara khusus di ruang angkasa - ini adalah sel dasar kristal. Jika kita menyiarkan seluruhnya, yaitu menggabungkan ujung-ujungnya satu sama lain, bergeser ke segala arah, kita akan mendapatkan seluruh kristal. Namun, perlu diingat bahwa ini adalah model. Setiap kristal asli memiliki cacat, dan hampir tidak mungkin untuk mencapai terjemahan yang benar-benar akurat. Sel memori silikon modern mendekati kristal ideal. Namun, mendapatkannya membutuhkan energi dan sumber daya lainnya dalam jumlah yang luar biasa. Di laboratorium, para ilmuwan memperoleh berbagai jenis struktur sempurna, tetapi, sebagai suatu peraturan, biaya pembuatannya terlalu tinggi. Tetapi kita akan berasumsi bahwa semua kristal adalah ideal: dalam kondisi apa punarah, atom yang sama akan terletak pada jarak yang sama satu sama lain. Struktur ini disebut kisi kristal.
Studi tentang struktur kristal
Karena fakta inilah difraksi sinar-X pada kristal dimungkinkan. Struktur periodik kristal menciptakan bidang tertentu di dalamnya, di mana ada lebih banyak atom daripada di arah lain. Kadang-kadang bidang ini diatur oleh simetri kisi kristal, kadang-kadang oleh susunan atom yang saling menguntungkan. Setiap pesawat diberi penunjukannya sendiri. Jarak antar bidang sangat kecil: pada urutan beberapa angstrom (ingat, angstrom adalah 10-10 meter atau 0,1 nanometer).
Namun, ada banyak bidang dengan arah yang sama di setiap kristal nyata, bahkan yang sangat kecil. Difraksi sinar-X sebagai metode memanfaatkan fakta ini: semua gelombang yang telah berubah arah pada bidang dengan arah yang sama dijumlahkan, memberikan sinyal yang cukup jelas pada keluarannya. Jadi para ilmuwan dapat memahami ke arah mana bidang-bidang ini berada di dalam kristal, dan menilai struktur internal struktur kristal. Namun, data ini saja tidak cukup. Selain sudut kemiringan, Anda juga perlu mengetahui jarak antar bidang. Tanpa ini, Anda bisa mendapatkan ribuan model struktur yang berbeda, tetapi tidak tahu jawaban pastinya. Bagaimana para ilmuwan mempelajari jarak antar pesawat akan dibahas di bawah ini.
Fenomena difraksi
Kami telah memberikan pembenaran fisik tentang apa itu difraksi sinar-X pada kisi spasial kristal. Namun, kami belum menjelaskan esensinyafenomena difraksi. Jadi, difraksi adalah pembulatan rintangan oleh gelombang (termasuk gelombang elektromagnetik). Fenomena ini tampaknya merupakan pelanggaran hukum optik linier, tetapi sebenarnya tidak. Ini terkait erat dengan interferensi dan sifat gelombang, misalnya, foton. Jika ada halangan di jalan cahaya, maka karena difraksi, foton dapat “memandang” ke sudut. Seberapa jauh arah rambat cahaya dari garis lurus tergantung pada ukuran rintangan. Semakin kecil rintangannya, semakin pendek panjang gelombang elektromagnetik yang seharusnya. Itulah sebabnya difraksi sinar-X pada kristal tunggal dilakukan menggunakan gelombang pendek seperti itu: jarak antara bidang sangat kecil, foton optik tidak akan "merangkak" di antara mereka, tetapi hanya akan dipantulkan dari permukaan.
Konsep seperti itu benar, tetapi dalam sains modern dianggap terlalu sempit. Untuk memperluas definisinya, serta untuk pengetahuan umum, kami menyajikan metode untuk manifestasi difraksi gelombang.
- Mengubah struktur spasial gelombang. Misalnya, perluasan sudut rambat berkas gelombang, defleksi gelombang atau serangkaian gelombang dalam beberapa arah yang diinginkan. Kelas fenomena inilah yang termasuk dalam gelombang yang membelok di sekitar rintangan.
- Penguraian gelombang menjadi spektrum.
- Perubahan polarisasi gelombang.
- Transformasi struktur fasa gelombang.
Fenomena difraksi, bersama dengan interferensi, bertanggung jawab atas fakta bahwa ketika seberkas cahaya diarahkan ke celah sempit di belakangnya, kita tidak melihat satu, tetapi beberapacahaya maksimal. Semakin jauh maksimum dari tengah slot, semakin tinggi urutannya. Selain itu, dengan pengaturan percobaan yang benar, bayangan dari jarum jahit biasa (tentu saja, tipis) dibagi menjadi beberapa garis, dan cahaya maksimum diamati tepat di belakang jarum, dan bukan minimum.
rumus Wulf-Bragg
Kami telah mengatakan di atas bahwa sinyal akhir adalah jumlah dari semua foton sinar-X yang dipantulkan dari bidang dengan kemiringan yang sama di dalam kristal. Tetapi satu hubungan penting memungkinkan Anda menghitung struktur secara akurat. Tanpa itu, difraksi sinar-X tidak akan berguna. Rumus Wulf-Bragg terlihat seperti ini: 2dsinƟ=n. Di sini d adalah jarak antara bidang dengan sudut kemiringan yang sama, adalah sudut pandang (sudut Bragg), atau sudut datang pada bidang, n adalah orde maksimum difraksi, adalah panjang gelombang. Karena telah diketahui sebelumnya spektrum sinar-X mana yang digunakan untuk memperoleh data dan pada sudut berapa radiasi ini jatuh, rumus ini memungkinkan kita untuk menghitung nilai d. Kami telah mengatakan sedikit lebih tinggi bahwa tanpa informasi ini tidak mungkin untuk mendapatkan struktur suatu zat secara akurat.
Aplikasi modern difraksi sinar-X
Pertanyaan muncul: dalam kasus apa analisis ini diperlukan, bukankah para ilmuwan telah menjelajahi segala sesuatu di dunia struktur, dan bukankah manusia, ketika memperoleh zat-zat yang pada dasarnya baru, menganggap hasil seperti apa yang menanti mereka ? Ada empat jawaban.
- Ya, kami cukup mengenal planet kami. Tetapi setiap tahun mineral baru ditemukan. Terkadang struktur mereka genaptebakan tanpa rontgen tidak akan berhasil.
- Banyak ilmuwan mencoba meningkatkan sifat bahan yang sudah ada. Zat-zat ini mengalami berbagai jenis pemrosesan (tekanan, suhu, laser, dll.). Terkadang elemen ditambahkan atau dihilangkan dari strukturnya. Difraksi sinar-X pada kristal akan membantu untuk memahami penataan ulang internal yang terjadi dalam kasus ini.
- Untuk beberapa aplikasi (misalnya, media aktif, laser, kartu memori, elemen optik dari sistem pengawasan), kristal harus dicocokkan dengan sangat tepat. Oleh karena itu, strukturnya diperiksa menggunakan metode ini.
- Difraksi sinar-X adalah satu-satunya cara untuk mengetahui berapa banyak dan fase mana yang diperoleh selama sintesis dalam sistem multikomponen. Elemen keramik dari teknologi modern dapat menjadi contoh dari sistem tersebut. Kehadiran fase yang tidak diinginkan dapat menyebabkan konsekuensi serius.
Penjelajahan luar angkasa
Banyak orang bertanya: "Mengapa kita membutuhkan observatorium besar di orbit Bumi, mengapa kita membutuhkan penjelajah jika umat manusia belum menyelesaikan masalah kemiskinan dan perang?"
Setiap orang memiliki alasan sendiri-sendiri untuk mendukung dan menentang, tetapi jelas bahwa umat manusia harus memiliki mimpi.
Oleh karena itu, melihat bintang-bintang, hari ini kita dapat mengatakan dengan percaya diri: kita tahu lebih banyak tentang mereka setiap hari.
Sinar-X dari proses yang terjadi di luar angkasa tidak mencapai permukaan planet kita, mereka diserap oleh atmosfer. Tapi bagian iniSpektrum elektromagnetik membawa banyak data tentang fenomena energi tinggi. Oleh karena itu, instrumen yang mempelajari sinar-X harus dikeluarkan dari Bumi, ke orbit. Saat ini stasiun yang ada sedang mempelajari objek berikut:
- sisa-sisa ledakan supernova;
- pusat galaksi;
- bintang neutron;
- lubang hitam;
- tabrakan benda-benda masif (galaksi, kelompok galaksi).
Anehnya, menurut berbagai proyek, akses ke stasiun ini disediakan untuk siswa dan bahkan anak sekolah. Mereka mempelajari sinar-X yang datang dari luar angkasa: difraksi, interferensi, spektrum menjadi subjek yang mereka minati. Dan beberapa pengguna yang sangat muda dari observatorium luar angkasa ini membuat penemuan. Pembaca yang teliti mungkin, tentu saja, keberatan bahwa mereka hanya punya waktu untuk melihat gambar beresolusi tinggi dan memperhatikan detail yang halus. Dan tentu saja, pentingnya penemuan, sebagai suatu peraturan, hanya dipahami oleh para astronom yang serius. Tetapi kasus-kasus seperti itu menginspirasi kaum muda untuk mendedikasikan hidup mereka untuk eksplorasi ruang angkasa. Dan tujuan ini layak untuk dikejar.
Dengan demikian, pencapaian Wilhelm Conrad Roentgen membuka akses ke pengetahuan bintang dan kemampuan untuk menaklukkan planet lain.
