Nhiễu xạ tia X là gì?

2024 Tác giả: Angel Austin | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 05:46

Bài báo này mô tả về một thứ như nhiễu xạ tia X. Cơ sở vật lý của hiện tượng này và các ứng dụng của nó được giải thích ở đây.

Công nghệ tạo vật liệu mới

Đổi mới, công nghệ nano đang là xu hướng của thế giới hiện đại. Tin tức có đầy đủ các báo cáo của các tài liệu cách mạng mới. Nhưng ít người nghĩ đến những gì mà một bộ máy nghiên cứu khổng lồ mà các nhà khoa học cần để tạo ra ít nhất là một cải tiến nhỏ trong các công nghệ hiện có. Một trong những hiện tượng cơ bản giúp mọi người làm được điều này là nhiễu xạ tia X.

Bức xạ điện từ

Đầu tiên bạn cần giải thích bức xạ điện từ là gì. Bất kỳ vật thể tích điện chuyển động nào cũng tạo ra một trường điện từ xung quanh chính nó. Những trường này bao trùm khắp mọi thứ xung quanh, ngay cả chân không của không gian sâu thẳm cũng không thoát khỏi chúng. Nếu trong trường như vậy có những nhiễu động tuần hoàn có thể lan truyền trong không gian, chúng được gọi là bức xạ điện từ. Để mô tả nó, các khái niệm như bước sóng, tần số và năng lượng của nó được sử dụng. Năng lượng là gì là trực quan, và bước sóng là khoảng cách giữacác pha giống hệt nhau (ví dụ, giữa hai cực đại liền kề). Bước sóng càng cao (và theo đó, tần số), năng lượng của nó càng thấp. Hãy nhớ lại rằng những khái niệm này là cần thiết để mô tả nhiễu xạ tia X là gì một cách ngắn gọn và súc tích.

Quang phổ điện từ

Tất cả các tia điện từ đa dạng đều phù hợp với một thang đo đặc biệt. Tùy thuộc vào bước sóng, chúng phân biệt (từ dài nhất đến ngắn nhất):

• sóng radio;
• sóng terahertz;
• sóng hồng ngoại;
• sóng nhìn thấy được;
• sóng cực tím;
• sóng tia X;
• bức xạ gamma.

Vì vậy, bức xạ mà chúng ta quan tâm có bước sóng rất ngắn và năng lượng cao nhất (đó là lý do tại sao nó đôi khi được gọi là cứng). Do đó, chúng tôi đang tiến gần hơn đến việc mô tả nhiễu xạ tia X.

Nguồn gốc của tia X

Năng lượng bức xạ càng cao thì càng khó có được nó một cách nhân tạo. Sau khi nhóm lửa, một người nhận được rất nhiều bức xạ hồng ngoại, vì nó truyền nhiệt. Nhưng để xảy ra hiện tượng nhiễu xạ tia X bởi các cấu trúc không gian thì cần phải cố gắng rất nhiều. Vì vậy, loại bức xạ điện từ này được giải phóng khi một êlectron bị bật ra khỏi lớp vỏ của nguyên tử gần hạt nhân. Các điện tử nằm phía trên có xu hướng lấp đầy lỗ trống tạo thành, sự chuyển tiếp của chúng và tạo ra các photon tia X. Ngoài ra, trong quá trình giảm tốc mạnh của các hạt mang điện có khối lượng (ví dụ,electron), các chùm năng lượng cao này được tạo ra. Do đó, sự nhiễu xạ của tia X trên mạng tinh thể đi kèm với việc tiêu tốn một lượng năng lượng khá lớn.

Ở quy mô công nghiệp, bức xạ này thu được như sau:

1. Cực âm phát ra một electron năng lượng cao.
2. Electron va chạm với vật liệu của cực dương.
3. Electron giảm tốc mạnh (đồng thời phát ra tia X).
4. Trong một trường hợp khác, hạt giảm tốc đánh bật một electron ra khỏi quỹ đạo thấp của nguyên tử khỏi vật liệu anốt, điều này cũng tạo ra tia X.

Cũng cần hiểu rằng, giống như bất kỳ bức xạ điện từ nào khác, tia X có quang phổ riêng. Bản thân bức xạ này được sử dụng khá rộng rãi. Mọi người đều biết rằng xương gãy hoặc một khối trong phổi được tìm kiếm với sự hỗ trợ của tia X.

Cấu trúc của chất kết tinh

Bây giờ chúng ta tiến gần đến phương pháp nhiễu xạ tia X là gì. Để làm được điều này, cần phải giải thích cách sắp xếp của một cơ thể rắn. Trong khoa học, một thể rắn được gọi là bất kỳ chất nào ở trạng thái kết tinh. Gỗ, đất sét hoặc thủy tinh là những chất rắn, nhưng chúng thiếu thứ chính: một cấu trúc tuần hoàn. Nhưng tinh thể có đặc tính tuyệt vời này. Chính cái tên của hiện tượng này đã chứa đựng bản chất của nó. Đầu tiên bạn cần hiểu rằng các nguyên tử trong tinh thể được cố định một cách cứng nhắc. Các liên kết giữa chúng có tính đàn hồi ở một mức độ nào đó, nhưng chúng quá mạnh để các nguyên tử di chuyển xung quanh bên trong.lưới sắt. Những tình tiết như vậy là có thể xảy ra, nhưng với một tác động bên ngoài rất mạnh. Ví dụ, nếu một tinh thể kim loại bị uốn cong, các khuyết tật điểm có nhiều dạng khác nhau được hình thành trong đó: ở một số nơi, nguyên tử rời khỏi vị trí của nó, tạo thành chỗ trống, ở một số khác, nó di chuyển đến các vị trí sai, tạo thành khuyết tật kẽ. Tại chỗ uốn cong, tinh thể mất cấu trúc tinh thể mảnh mai, trở nên rất khuyết, lỏng lẻo. Vì vậy, tốt hơn hết bạn không nên sử dụng kẹp giấy chưa được kẹp giấy một lần, vì kim loại sẽ mất đi tính chất của nó.

Nếu các nguyên tử được cố định một cách cứng nhắc, chúng không còn có thể được sắp xếp ngẫu nhiên tương đối với nhau, như trong chất lỏng. Họ phải tự tổ chức sao cho giảm thiểu năng lượng tương tác của họ. Do đó, các nguyên tử xếp thành một mạng tinh thể. Trong mỗi mạng tinh thể có một tập hợp tối thiểu các nguyên tử được sắp xếp theo một cách đặc biệt trong không gian - đây là ô cơ bản của tinh thể. Nếu chúng ta phát sóng toàn bộ, tức là kết hợp các cạnh với nhau, dịch chuyển theo bất kỳ hướng nào, chúng ta sẽ thu được toàn bộ tinh thể. Tuy nhiên, cần nhớ rằng đây là một mô hình. Bất kỳ tinh thể thực nào cũng có khuyết tật, và hầu như không thể đạt được bản dịch chính xác tuyệt đối. Các tế bào bộ nhớ silicon hiện đại gần với các tinh thể lý tưởng. Tuy nhiên, để có được chúng đòi hỏi lượng năng lượng đáng kinh ngạc và các nguồn lực khác. Trong phòng thí nghiệm, các nhà khoa học thu được các cấu trúc hoàn hảo với nhiều loại khác nhau, nhưng theo quy luật, chi phí tạo ra chúng quá cao. Nhưng chúng tôi sẽ giả định rằng tất cả các tinh thể là lý tưởng: trong bất kỳhướng, các nguyên tử giống nhau sẽ nằm ở những khoảng cách như nhau. Cấu trúc này được gọi là mạng tinh thể.

Nghiên cứu cấu trúc tinh thể

Đó là do sự nhiễu xạ tia X trên tinh thể là có thể. Cấu trúc tuần hoàn của tinh thể tạo ra những mặt phẳng nhất định trong chúng, trong đó có nhiều nguyên tử hơn các hướng khác. Đôi khi những mặt phẳng này được thiết lập bởi tính đối xứng của mạng tinh thể, đôi khi bởi sự sắp xếp lẫn nhau của các nguyên tử. Mỗi máy bay được gán ký hiệu riêng. Khoảng cách giữa các mặt phẳng là rất nhỏ: theo thứ tự của một số angstrom (nhớ lại, một angstrom là 10^-10mét hoặc 0,1 nanomet).

Tuy nhiên, có rất nhiều mặt phẳng cùng hướng trong bất kỳ tinh thể thực nào, thậm chí là một mặt phẳng rất nhỏ. Phương pháp nhiễu xạ tia X khai thác thực tế này: tất cả các sóng đã thay đổi hướng trên các mặt phẳng có cùng hướng được tổng hợp lại, cho một tín hiệu khá rõ ràng ở đầu ra. Vì vậy, các nhà khoa học có thể hiểu những mặt phẳng này nằm bên trong tinh thể theo những hướng nào, và phán đoán cấu trúc bên trong của cấu trúc tinh thể. Tuy nhiên, chỉ những dữ liệu này là không đủ. Ngoài góc nghiêng, bạn cũng cần biết khoảng cách giữa các mặt phẳng. Nếu không có điều này, bạn có thể nhận được hàng ngàn mô hình khác nhau của cấu trúc, nhưng không biết câu trả lời chính xác. Cách các nhà khoa học tìm hiểu về khoảng cách giữa các máy bay sẽ được thảo luận bên dưới.

Hiện tượng nhiễu xạ

Chúng tôi đã đưa ra giải thích vật lý về nhiễu xạ tia X trên mạng tinh thể không gian là gì. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn chưa giải thích được bản chất củacác hiện tượng nhiễu xạ. Vì vậy, nhiễu xạ là sự làm tròn các chướng ngại vật bởi sóng (bao gồm cả sóng điện từ). Hiện tượng này tưởng chừng là vi phạm định luật quang học tuyến tính nhưng thực tế không phải vậy. Nó liên quan chặt chẽ đến tính chất giao thoa và sóng của, ví dụ, các photon. Nếu có chướng ngại vật cản đường ánh sáng, thì do nhiễu xạ, các photon có thể “nhìn” xung quanh góc. Hướng của ánh sáng truyền đi bao xa từ một đường thẳng phụ thuộc vào kích thước của vật cản. Vật cản càng nhỏ thì độ dài sóng điện từ càng ngắn. Đó là lý do tại sao nhiễu xạ tia X trên các tinh thể đơn được thực hiện bằng cách sử dụng các sóng ngắn như vậy: khoảng cách giữa các mặt phẳng là rất nhỏ, các photon quang học đơn giản sẽ không "bò" giữa chúng mà chỉ bị phản xạ từ bề mặt.

Khái niệm như vậy là đúng, nhưng trong khoa học hiện đại, nó được coi là quá hẹp. Để mở rộng định nghĩa của nó, cũng như để hiểu biết chung, chúng tôi trình bày các phương pháp biểu thị nhiễu xạ sóng.

1. Thay đổi cấu trúc không gian của sóng. Ví dụ, sự mở rộng góc truyền của một chùm sóng, sự lệch hướng của một sóng hoặc một chuỗi sóng theo một hướng ưu tiên nào đó. Đó là loại hiện tượng mà sóng uốn quanh chướng ngại vật thuộc về.
2. Sự phân hủy của sóng thành quang phổ.
3. Thay đổi phân cực sóng.
4. Sự biến đổi cấu trúc pha của sóng.

Hiện tượng nhiễu xạ, cùng với giao thoa, là nguyên nhân dẫn đến thực tế là khi một chùm ánh sáng hướng tới một khe hẹp phía sau nó, chúng ta không nhìn thấy một mà là một sốcực đại sáng. Điểm cực đại càng xa giữa khe, thứ tự của nó càng cao. Ngoài ra, với cài đặt chính xác của thử nghiệm, bóng từ một chiếc kim may thông thường (tất nhiên, mỏng) được chia thành nhiều sọc và ánh sáng tối đa được quan sát chính xác phía sau kim chứ không phải tối thiểu.

Công thức Wulf-Bragg

Chúng ta đã nói ở trên rằng tín hiệu cuối cùng là tổng của tất cả các photon tia X được phản xạ từ các mặt phẳng có cùng độ nghiêng bên trong tinh thể. Nhưng một mối quan hệ quan trọng cho phép bạn tính toán chính xác cấu trúc. Nếu không có nó, nhiễu xạ tia X sẽ vô dụng. Công thức Wulf-Bragg có dạng như sau: 2dsinƟ=nλ. Ở đây d là khoảng cách giữa các mặt phẳng có cùng góc nghiêng, θ là góc ló (góc Bragg), hay góc tới trên mặt phẳng, n là bậc của cực đại nhiễu xạ, λ là bước sóng. Vì đã biết trước phổ tia X nào được sử dụng để lấy dữ liệu và bức xạ này rơi ở góc nào, công thức này cho phép chúng ta tính giá trị của d. Chúng tôi đã nói cao hơn một chút rằng nếu không có thông tin này thì không thể có được chính xác cấu trúc của một chất.

Ứng dụng hiện đại của nhiễu xạ tia X

Câu hỏi đặt ra: phân tích này cần thiết trong những trường hợp nào, chẳng phải các nhà khoa học đã khám phá mọi thứ trong thế giới cấu trúc, và không phải con người, khi thu được những chất cơ bản mới, hãy cho rằng loại kết quả nào đang chờ đợi họ. ? Có bốn câu trả lời.

1. Vâng, chúng ta đã hiểu khá rõ về hành tinh của chúng ta. Nhưng mỗi năm khoáng sản mới được tìm thấy. Đôi khi cấu trúc của chúng làđoán mà không chụp x-quang sẽ không hoạt động.
2. Nhiều nhà khoa học đang cố gắng cải thiện các đặc tính của vật liệu đã có sẵn. Các chất này phải chịu nhiều kiểu xử lý khác nhau (áp suất, nhiệt độ, laser, v.v.). Đôi khi các phần tử được thêm vào hoặc xóa khỏi cấu trúc của chúng. Sự nhiễu xạ tia X trên các tinh thể sẽ giúp hiểu được sự sắp xếp lại bên trong nào đã xảy ra trong trường hợp này.
3. Đối với một số ứng dụng (ví dụ: phương tiện hoạt động, laser, thẻ nhớ, phần tử quang học của hệ thống giám sát), các tinh thể phải được khớp rất chính xác. Do đó, cấu trúc của chúng được kiểm tra bằng phương pháp này.
4. Nhiễu xạ tia X là cách duy nhất để biết có bao nhiêu và pha nào thu được trong quá trình tổng hợp trong hệ thống đa thành phần. Các yếu tố gốm sứ của công nghệ hiện đại có thể là một ví dụ của các hệ thống như vậy. Sự hiện diện của các pha không mong muốn có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng.

Khám phá không gian

Nhiều người đặt câu hỏi: "Tại sao chúng ta cần những đài quan sát khổng lồ trên quỹ đạo Trái đất, tại sao chúng ta cần một chiếc máy dò tìm nếu nhân loại vẫn chưa giải quyết được vấn đề đói nghèo và chiến tranh?"

Ai cũng có lý do riêng để phản đối, nhưng rõ ràng nhân loại phải có ước mơ.

Vì vậy, khi nhìn vào các vì sao, ngày nay chúng ta có thể tự tin nói rằng: chúng ta ngày càng biết nhiều hơn về chúng mỗi ngày.

Tia X từ các quá trình xảy ra trong không gian không đến được bề mặt hành tinh của chúng ta, chúng bị khí quyển hấp thụ. Nhưng phần nàyQuang phổ điện từ mang rất nhiều dữ liệu về các hiện tượng năng lượng cao. Vì vậy, các dụng cụ nghiên cứu tia X phải được đưa ra khỏi Trái đất, đưa vào quỹ đạo. Hiện tại các trạm hiện có đang nghiên cứu các đối tượng sau:

• tàn tích của vụ nổ siêu tân tinh;
• trung tâm của các thiên hà;
• sao neutron;
• lỗ đen;
• va chạm của các vật thể có khối lượng lớn (thiên hà, nhóm thiên hà).

Đáng ngạc nhiên là theo các dự án khác nhau, quyền truy cập vào các trạm này được cung cấp cho học sinh và thậm chí cả học sinh. Họ nghiên cứu tia X đến từ không gian sâu: nhiễu xạ, giao thoa, quang phổ trở thành chủ đề họ quan tâm. Và một số người sử dụng rất trẻ của các đài quan sát không gian này đang có những khám phá. Tất nhiên, một người đọc tỉ mỉ có thể phản đối rằng họ chỉ có thời gian để xem các bức ảnh có độ phân giải cao và nhận thấy các chi tiết tinh tế. Và tất nhiên, tầm quan trọng của những khám phá, như một quy luật, chỉ những nhà thiên văn học nghiêm túc mới hiểu được. Nhưng những trường hợp như vậy đã truyền cảm hứng cho những người trẻ tuổi cống hiến cuộc đời của họ cho việc khám phá không gian. Và mục tiêu này rất đáng để theo đuổi.

Vì vậy, những thành tựu của Wilhelm Conrad Roentgen đã mở ra khả năng tiếp cận kiến thức tuyệt vời và khả năng chinh phục các hành tinh khác.