Дифракция рентгеновского излучения
Дифракция рентгеновских лучей — это важное явление, которое происходит, когда рентгеновские лучи изменяют свое направление при взаимодействии с электронами, окружающими атомы. Это взаимодействие происходит за счет упругого рассеяния, при котором энергия волн не изменяется. Результатом этого процесса является создание дифракционной картины, которая представляет собой карту направлений рентгеновских лучей, рассеянных от образца. Дифракция рентгеновских лучей отличается от рентгеновской кристаллографии, которая использует эти явления для определения расположения атомов в материалах и включает в себя методы сопоставления экспериментальных данных с теоретическими моделями.
В данной статье мы рассмотрим дифракцию рентгеновских лучей, начиная с истории открытия рентгеновских лучей и их применения в кристаллографии. Мы также обсудим различные источники рентгеновского излучения, методы, используемые для получения дифракционных картин, и их значение в науке и промышленности.
История открытия рентгеновских лучей
Рентгеновские лучи были открыты в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. В то время ученые не знали, что это за излучение, но предполагали, что оно является формой электромагнитных волн. Теория электромагнитного излучения, предложенная Джеймсом Клерком Максвеллом, была широко принята, и эксперименты Чарльза Гловера Баркли подтвердили, что рентгеновские лучи ведут себя как электромагнитные волны, демонстрируя такие явления, как поперечная поляризация и спектральные линии.
В 1909 году Баркли ввел нотацию для рентгеновских спектров, обозначив резкие спектральные линии буквами «A» и «B», а затем продолжив алфавитную нумерацию с «K». Эксперименты, проведенные Арнольдом Зоммерфельдом, показали, что рентгеновские лучи имеют длину волны около 1 ангстрема. В 1905 году Альберт Эйнштейн ввел концепцию фотона, которая была подтверждена Артуром Комптоном в 1922 году, когда тот продемонстрировал рассеяние рентгеновских лучей электронами.
В 1912 году Макс фон Лауэ наблюдал дифракцию рентгеновских лучей, что подтвердило, что рентгеновские лучи действительно являются формой электромагнитного излучения. В этом же году возникла идея использовать кристаллы в качестве дифракционных решеток для рентгеновских лучей. Фон Лауэ, работая с Вальтером Фридрихом и Полом Книпингом, провел эксперимент, пропуская рентгеновские лучи через кристалл медного купороса и записывая дифракционную картину на фотопластинку. Результаты эксперимента показали четкие пятна, расположенные в виде пересекающихся кругов, что стало основой для дальнейших исследований в области кристаллографии.
Основы дифракции рентгеновских лучей
Кристаллы представляют собой регулярные массивы атомов, а рентгеновские лучи — это электромагнитные волны. Когда рентгеновские лучи сталкиваются с электронами в атомах, они рассеиваются, создавая вторичные волны. Это явление называется упругим рассеянием. Регулярное расположение атомов в кристалле приводит к тому, что некоторые направления рассеянных волн усиливаются (конструктивная интерференция), в то время как в других направлениях они нейтрализуются (деструктивная интерференция).
Модель дифракции Брэгга объясняет, как рентгеновские лучи отражаются от равномерно расположенных плоскостей в кристалле. Уильям Лоуренс Брэгг предложил, что конструктивная интерференция происходит, когда угол между падающим лучом и плоскостью кристалла приводит к разнице длин пути, кратной длине волны рентгеновского излучения. Это можно выразить формулой:
\[ 2d \sin \theta = n \lambda \]
где \(d\) — расстояние между плоскостями, \(\theta\) — угол рассеяния, \(n\) — целое число (порядок дифракции), а \(\lambda\) — длина волны рентгеновского излучения.