Este artículo contiene una descripción de la difracción de rayos X. La base física de este fenómeno y sus aplicaciones se explican aquí.
Tecnologías para la creación de nuevos materiales
Innovación, la nanotecnología es la tendencia del mundo moderno. Las noticias están llenas de informes de nuevos materiales revolucionarios. Pero pocas personas piensan en el enorme aparato de investigación que necesitan los científicos para crear al menos una pequeña mejora en las tecnologías existentes. Uno de los fenómenos fundamentales que ayudan a las personas a hacer esto es la difracción de rayos X.
Radiación electromagnética
Primero debes explicar qué es la radiación electromagnética. Cualquier cuerpo cargado en movimiento genera un campo electromagnético a su alrededor. Estos campos impregnan todo a su alrededor, incluso el vacío del espacio profundo no está libre de ellos. Si en tal campo existen perturbaciones periódicas que pueden propagarse en el espacio, se denominan radiación electromagnética. Para describirlo se utilizan conceptos como longitud de onda, frecuencia y su energía. Lo que es energía es intuitivo, y la longitud de onda es la distancia entrefases idénticas (por ejemplo, entre dos máximos adyacentes). Cuanto mayor sea la longitud de onda (y, en consecuencia, la frecuencia), menor será su energía. Recordemos que estos conceptos son necesarios para describir de manera concisa y sucinta qué es la difracción de rayos X.
Espectro electromagnético
Toda la variedad de rayos electromagnéticos caben en una escala especial. Según la longitud de onda, se distinguen (de la más larga a la más corta):
- ondas de radio;
- ondas de terahercios;
- ondas infrarrojas;
- ondas visibles;
- ondas ultravioleta;
- ondas de rayos X;
- radiación gamma.
Por lo tanto, la radiación que nos interesa tiene una longitud de onda muy corta y las energías más altas (por eso a veces se le llama dura). Por lo tanto, nos estamos acercando a describir qué es la difracción de rayos X.
El origen de los rayos X
Cuanto mayor es la energía de radiación, más difícil es obtenerla artificialmente. Después de hacer fuego, una persona recibe mucha radiación infrarroja, porque es la que transfiere calor. Pero para que ocurra la difracción de rayos X por estructuras espaciales, se debe hacer un gran esfuerzo. Entonces, este tipo de radiación electromagnética se libera cuando un electrón sale de la capa de un átomo, que está cerca del núcleo. Los electrones ubicados arriba tienden a llenar el hueco resultante, sus transiciones y dan fotones de rayos X. Además, durante la desaceleración brusca de partículas cargadas con masa (por ejemplo,electrones), se producen estos haces de alta energía. Por lo tanto, la difracción de rayos X en una red cristalina se acompaña del gasto de una cantidad bastante grande de energía.
A escala industrial, esta radiación se obtiene de la siguiente manera:
- El cátodo emite un electrón de alta energía.
- El electrón choca con el material del ánodo.
- El electrón se desacelera bruscamente (mientras emite rayos X).
- En otro caso, la partícula que se desacelera saca un electrón de la órbita baja del átomo del material del ánodo, lo que también genera rayos X.
También es necesario entender que, como cualquier otra radiación electromagnética, los rayos X tienen su propio espectro. Esta radiación en sí se usa bastante. Todo el mundo sabe que un hueso roto o una masa en los pulmones se busca con la ayuda de rayos X.
Estructura de una sustancia cristalina
Ahora nos acercamos a lo que es el método de difracción de rayos X. Para ello, es necesario explicar cómo se dispone un cuerpo sólido. En ciencia, se llama cuerpo sólido a toda sustancia en estado cristalino. La madera, la arcilla o el vidrio son sólidos, pero carecen de lo principal: una estructura periódica. Pero los cristales tienen esta asombrosa propiedad. El mismo nombre de este fenómeno contiene su esencia. Primero necesitas entender que los átomos en el cristal están fijados rígidamente. Los enlaces entre ellos tienen cierto grado de elasticidad, pero son demasiado fuertes para que los átomos se muevan en su interior.rejillas Tales episodios son posibles, pero con una influencia externa muy fuerte. Por ejemplo, si un cristal de metal se dobla, se forman en él defectos puntuales de varios tipos: en algunos lugares, el átomo sale de su lugar, formando una vacante, en otros, se mueve a posiciones incorrectas, formando un defecto intersticial. En el lugar de la curva, el cristal pierde su estructura cristalina delgada, se vuelve muy defectuoso, suelto. Por lo tanto, es mejor no utilizar un clip que haya sido desdoblado una vez, ya que el metal ha perdido sus propiedades.
Si los átomos se fijan rígidamente, ya no se pueden colocar aleatoriamente entre sí, como en los líquidos. Deben organizarse de tal manera que minimicen la energía de su interacción. Así, los átomos se alinean en una red. En cada red hay un conjunto mínimo de átomos dispuestos de una manera especial en el espacio: esta es la celda elemental del cristal. Si lo difundimos por completo, es decir, combinamos los bordes entre sí, moviéndolos en cualquier dirección, obtendremos el cristal completo. Sin embargo, vale la pena recordar que este es un modelo. Cualquier cristal real tiene defectos y es casi imposible lograr una traducción absolutamente precisa. Las modernas celdas de memoria de silicio están cerca de los cristales ideales. Sin embargo, obtenerlos requiere cantidades increíbles de energía y otros recursos. En el laboratorio, los científicos obtienen estructuras perfectas de varios tipos, pero, por regla general, los costos de su creación son demasiado altos. Pero supondremos que todos los cristales son ideales: en cualquierdirección, los mismos átomos estarán ubicados a las mismas distancias entre sí. Esta estructura se denomina red cristalina.
Estudio de la estructura cristalina
Es por este hecho que es posible la difracción de rayos X en los cristales. La estructura periódica de los cristales crea ciertos planos en ellos, en los que hay más átomos que en otras direcciones. A veces, estos planos están establecidos por la simetría de la red cristalina, a veces por la disposición mutua de los átomos. A cada plano se le asigna su propia designación. Las distancias entre los planos son muy pequeñas: del orden de varios angstroms (recuerde, un angstrom es 10-10 metros o 0,1 nanómetros).
Sin embargo, hay muchos planos de la misma dirección en cualquier cristal real, incluso uno muy pequeño. La difracción de rayos X como método explota este hecho: todas las ondas que han cambiado de dirección en planos de la misma dirección se suman, dando una señal bastante clara en la salida. Para que los científicos puedan entender en qué direcciones se encuentran estos planos dentro del cristal y juzgar la estructura interna de la estructura del cristal. Sin embargo, estos datos por sí solos no son suficientes. Además del ángulo de inclinación, también necesita saber la distancia entre los planos. Sin esto, puede obtener miles de modelos diferentes de la estructura, pero no sabe la respuesta exacta. A continuación se discutirá cómo los científicos aprenden acerca de la distancia entre los planos.
Fenómeno de difracción
Ya hemos dado una justificación física de lo que es la difracción de rayos X en la red espacial de los cristales. Sin embargo, aún no hemos explicado la esencia.fenómenos de difracción. Entonces, la difracción es el redondeo de obstáculos por ondas (incluidas las electromagnéticas). Este fenómeno parece ser una violación de la ley de la óptica lineal, pero no lo es. Está estrechamente relacionado con las propiedades de interferencia y de onda de, por ejemplo, los fotones. Si hay un obstáculo en el camino de la luz, entonces, debido a la difracción, los fotones pueden "mirar" a la vuelta de la esquina. La distancia que recorre la dirección de la luz desde una línea recta depende del tamaño del obstáculo. Cuanto más pequeño sea el obstáculo, más corta debe ser la longitud de onda electromagnética. Es por eso que la difracción de rayos X en monocristales se lleva a cabo utilizando ondas tan cortas: la distancia entre los planos es muy pequeña, los fotones ópticos simplemente no se "arrastrarán" entre ellos, sino que solo se reflejarán en la superficie.
Este concepto es cierto, pero en la ciencia moderna se considera demasiado limitado. Para ampliar su definición, así como para la erudición general, presentamos métodos para la manifestación de la difracción de ondas.
- Cambiando la estructura espacial de las ondas. Por ejemplo, la expansión del ángulo de propagación de un haz de ondas, la desviación de una onda o una serie de ondas en alguna dirección preferida. Es a esta clase de fenómenos a los que pertenece la curvatura de ondas alrededor de obstáculos.
- Descomposición de ondas en un espectro.
- Cambio en la polarización de onda.
- Transformación de la estructura de fase de las ondas.
El fenómeno de la difracción, junto con la interferencia, es responsable del hecho de que cuando un haz de luz se dirige a una rendija estrecha detrás de él, no vemos uno, sino variosmáximos de luz. Cuanto más lejos esté el máximo de la mitad de la ranura, mayor será su orden. Además, con la configuración correcta del experimento, la sombra de una aguja de coser ordinaria (por supuesto, delgada) se divide en varias franjas, y el máximo de luz se observa exactamente detrás de la aguja, y no el mínimo.
Fórmula de Wulf-Bragg
Ya hemos dicho anteriormente que la señal final es la suma de todos los fotones de rayos X que se reflejan desde planos con la misma inclinación dentro del cristal. Pero una relación importante le permite calcular con precisión la estructura. Sin ella, la difracción de rayos X sería inútil. La fórmula de Wulf-Bragg se ve así: 2dsinƟ=nλ. Aquí d es la distancia entre planos con el mismo ángulo de inclinación, θ es el ángulo de incidencia (ángulo de Bragg), o el ángulo de incidencia sobre el plano, n es el orden del máximo de difracción, λ es la longitud de onda. Como se sabe de antemano qué espectro de rayos X se utiliza para obtener datos y en qué ángulo cae esta radiación, esta fórmula nos permite calcular el valor de d. Ya hemos dicho un poco más arriba que sin esta información es imposible obtener con precisión la estructura de una sustancia.
Aplicación moderna de la difracción de rayos X
Surge la pregunta: ¿en qué casos se necesita este análisis? ¿Los científicos no han explorado ya todo en el mundo de la estructura y las personas, al obtener sustancias fundamentalmente nuevas, no asumen qué tipo de resultado les espera? ? Hay cuatro respuestas.
- Sí, llegamos a conocer bastante bien nuestro planeta. Pero cada año se encuentran nuevos minerales. A veces su estructura es inclusoSupongo que sin rayos X no funcionará.
- Muchos científicos están tratando de mejorar las propiedades de los materiales ya existentes. Estas sustancias están sujetas a varios tipos de procesamiento (presión, temperatura, láser, etc.). A veces se agregan o eliminan elementos de su estructura. La difracción de rayos X en cristales ayudará a comprender qué reordenamientos internos ocurrieron en este caso.
- Para algunas aplicaciones (p. ej., medios activos, láseres, tarjetas de memoria, elementos ópticos de sistemas de vigilancia), los cristales deben coincidir con mucha precisión. Por lo tanto, su estructura se verifica usando este método.
- La difracción de rayos X es la única forma de averiguar cuántas y qué fases se obtuvieron durante la síntesis en sistemas multicomponente. Los elementos cerámicos de la tecnología moderna pueden servir como ejemplo de tales sistemas. La presencia de fases no deseadas puede tener consecuencias graves.
Exploración espacial
Mucha gente pregunta: "¿Por qué necesitamos enormes observatorios en la órbita de la Tierra, por qué necesitamos un rover si la humanidad aún no ha resuelto los problemas de la pobreza y la guerra?"
Cada uno tiene sus propios motivos a favor y en contra, pero está claro que la humanidad debe tener un sueño.
Por lo tanto, mirando las estrellas, hoy podemos decir con confianza: cada día sabemos más sobre ellas.
Los rayos X de los procesos que ocurren en el espacio no alcanzan la superficie de nuestro planeta, son absorbidos por la atmósfera. pero esta parteEl espectro electromagnético transporta una gran cantidad de datos sobre fenómenos de alta energía. Por lo tanto, los instrumentos que estudian los rayos X deben sacarse de la Tierra y ponerse en órbita. Las estaciones existentes actualmente están estudiando los siguientes objetos:
- restos de explosiones de supernova;
- centros de galaxias;
- estrellas de neutrones;
- agujeros negros;
- colisiones de objetos masivos (galaxias, grupos de galaxias).
Sorprendentemente, según varios proyectos, el acceso a estas estaciones se brinda a los estudiantes e incluso a los escolares. Estudian los rayos X provenientes del espacio profundo: la difracción, la interferencia, el espectro se convierten en el tema de su interés. Y algunos usuarios muy jóvenes de estos observatorios espaciales están haciendo descubrimientos. Un lector meticuloso puede, por supuesto, objetar que solo tiene tiempo para mirar imágenes de alta resolución y notar detalles sutiles. Y, por supuesto, la importancia de los descubrimientos, por regla general, solo la entienden los astrónomos serios. Pero tales casos inspiran a los jóvenes a dedicar su vida a la exploración espacial. Y vale la pena perseguir este objetivo.
Así, los logros de Wilhelm Conrad Roentgen abrieron el acceso al conocimiento estelar y la capacidad de conquistar otros planetas.
