Открытие дифракции рентгеновских лучей в кристаллах

 

 

 

 

 

Открытие дифракции  рентгеновских лучей в кристаллах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................................3

1 Основные понятия..............................................................................................3

2 Макс фон Лауэ.....................................................................................................4

1. Биография................................................................................................4
2. Метод Лауэ..............................................................................................6

3 Использование рентгеновских  лучей в технике...............................................7

3.1          Рентгеновское просвечивание................................................................7

3.2          Рентгено-структурный анализ................................................................9

3.3          Рентгено-спектральный анализ.............................................................10

3.4          Рентгеновская микроскопия...................................................................11

Заключение.............................................................................................................13

1 Вывод...................................................................................................................13

2 Список используемой  литературы....................................................................13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Для того чтобы начать полноценный разговор о теме моего  реферата, я считаю нужным объяснить  некоторые понятия, касающиеся дифракции  рентгеновских лучей в кристаллах. Это поможет более глубоко  изучить данный вопрос и понять значение этого великого открытия для всего человечества.

 

Основные понятия

Рентге́новское излуче́ние — электромагнитные волны, энергия  фотонов которых лежит на шкале  электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−2 до 103 Å (от 10−12 до 10−7 м).

Дифра́кция во́лн (лат. diffractus — буквально разломанный, переломанный, огибание препятствия  волнами) — явление, которое проявляет  себя как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы. В данном реферате, я особо уделю внимание брегговской дифракции: дифракция от трехмерной периодической структуры, такой как атомы в кристалле называется дифракцией Брегга. Это похоже на то, что происходит, когда волны рассеиваются на дифракционной решётке. Брегговская дифракция является следствием интерференции между волнами, отражёнными от кристаллических плоскостей. Условие возникновения интерференции определяется законом Вульфа-Брегга:

                                          

                                                 2dsinθ = nλ,                                                      (1)                                 

 

где

d — расстояние между  кристаллическими плоскостями,

θ угол скольжения — дополнительный угол к углу падения,

λ — длина волны,

n (n = 1,2…) — целое  число называемое порядком дифракции.

 

Брегговская дифракция  может осуществляться при использовании света с очень маленькой длиной волны, такого как рентгеновское излучение, либо волны материи, такие как нейтроны и электроны, длины волн которых сравнимы или много меньше, чем межатомное расстояние.[3] Получаемые данные дают информацию о межплоскостных расстояния, что позволяет вывести кристаллическую структуру. Дифракционный контраст, в электронных микроскопах и рентгеновских топографических устройствах, в частности, также является мощным инструментом для изучения отдельных дефектов и локальных полей деформации в кристаллах.

И последнее, но очень  важное понятие — это кристаллы. Криста́ллы (от греч. κρύσταλλος, первоначально  — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — твёрдые тела, в которых атомы расположены  закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.

Кристаллы — это твёрдые  вещества, имеющие естественную внешнюю  форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений, составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).

От основных понятий  я хочу перейти, непосредственно, к  общей теме реферата. Итак, в 1912 году немецкий физик Макс Теодор Феликс фон Лауэ открывает дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах...

 

Макс фон Лауэ

 

Биография.

Немецкий физик Макс Теодор Феликс фон Лауэ родился в семье гражданского служащего ведомства военных  судов Юлиуса Лауэ и урожденной Минны  Церренер. Дворянскую приставку «фон»  фамилия обрела в 1913 г., когда отец Лауэ получил потомственное дворянство. По роду деятельности отца семья часто переезжала с места на место, поэтому Лауэ пришлось учиться во многих школах, но главным образом среднее образование он получил в протестантской гимназии Страсбурга. В возрасте двенадцати лет Лауэ стал интересоваться физикой, и его мать предоставила ему возможность посещать «Уранию» – берлинское общество, занимавшееся популяризацией науки. В обществе устраивались выставки действующих моделей научных приборов, демонстрировались опыты, давались к ним пояснения.

Окончив в 1898 г. гимназию, Лауэ стал заниматься физикой, химией и математикой в  Страсбургском университете. Одновременно он проходил обязательную годичную военную  службу. В университете его интерес  к физике поддерживали лекции Фердинанда Брауна. Учился Лауэ и в университетах Геттингена, Мюнхена и Берлина. В 1903 г. он под руководством Макса Планка в Берлинском университете защитил с отличием докторскую диссертацию по теории интерференции света в плоско-параллельных пластинках. Интерференцией называется взаимодействие пересекающихся световых волн, гасящих или усиливающих друг друга, в зависимости от разности их фаз (состояний в циклах изменений электрического и магнитного полей). Работая над диссертацией, Лауэ впервые заинтересовался физической оптикой.

Последующие два года Лауэ провел в Геттингенском университете, после  чего сдал экзамен на право преподавания физики в средней школе. С 1905 по 1909 г. он был ассистентом Планка в  Институте теоретической физики в Берлине. В этот период он пытался применить понятие энтропии к полям излучения и выяснить термодинамический смысл когерентности световых волн. Энтропия в термодинамике представляет собой физическое свойство, связанное с изменениями энергии и степенью равновесия системы. Когерентность световых волн означает существование строго заданного устойчивого соотношения между их фазами, когда степень согласия или рассогласования между их изменяющимися электромагнитными полями остается неизменной. Совместная работа Лауэ и Планка переросла в дружбу, верность которой они сохранили на всю жизнь. Проработав с 1906 по 1909 г. приват-доцентом (внештатным преподавателем) в Берлинском университете, Лауэ перешел на физический факультет Мюнхенского университета к Арнольду Зоммерфельду. В Мюнхене Лауэ читал лекции по оптике и термодинамике и в 1911 г. опубликовал первую обстоятельную монографию, посвященную бывшей тогда еще спорной теории относительности Альберта Эйнштейна.

На следующий год Лауэ получил  назначение на кафедру теоретической физики Цюрихского университета, где он провел два года до перехода во Франкфуртский университет. Значительную часть первой мировой войны Лауэ работал в Вюрцбургском университете у Вильгельма Вина. Там он занимался исследованием электронных ламп, используемых в телефонной и беспроволочной связи. В 1917 г. Лауэ был назначен на пост заместителя директора Физического института кайзера Вильгельма в Берлине, директором которого был Эйнштейн. Продолжая выполнять свои в основном административные обязанности в институте, Лауэ в 1919 г. принял приглашение занять пост профессора физики Берлинского университета и оставался им до 1943 г.

Вскоре после переезда в Цюрих  Лауэ заинтересовался проблемой, остававшейся нерешенной со времени открытия рентгеновского излучения Вильгельмом Рёнтгеном (1895): является ли это излучение одной из форм электромагнитного излучения с очень короткой длиной волны? В то время Лауэ работал над главой по волновой оптике для многотомной «Энциклопедии математических наук». Ему необходимо было выразить математически действие дифракционной решетки на световые волны. Дифракционная решетка – это стеклянная пластинка или зеркало, на которые на малом расстоянии друг от друга нанесены равноотстоящие штрихи (бороздки), разбивающие падающий свет на множество отдельных источников. Вторичные световые волны, исходящие от различных участков дифракционной решетки, имеют одинаковую фазу, но попадают в точку экрана, проходя различные расстояния, Так как при распространении света фаза повторяется через расстояние, равное длине волны (например, через расстояние между соседними гребнями в океанской волне), лучи приходят в точку с различными фазами в зависимости от того, сколько (целых и долей) длин волн укладывается в пройденном ими пути. В результате на экране возникает сложная картина из светлых и темных полос: светлых там, где приходящие волны совпадают по фазе и усиливают друг друга; темных – где приходящие волны находятся в противофазе и гасят друг друга. Лауэ занимался обобщением математического описания для двухмерной дифракционной решетки с двумя семействами штрихов.

В то же время к Лауэ обратился  его коллега с просьбой помочь в математическом исследовании поведения  световых волн в кристалле. Предполагалось, что кристалл представляет собой  трехмерную решетку с атомами в узлах, образующими периодически повторяющийся правильный «узор». Лауэ не удалось решить задачу, о которой его просили, но его заинтересовал вопрос о том, как стали бы вести себя световые волны, если бы они были очень короткими (много короче, чем длины волн видимого света) по сравнению с расстояниями между атомами в кристаллической решетке. На существовавшем тогда уровне знаний было принято считать, что межатомные расстояния в кристаллических решетках примерно в 10 раз больше, чем предполагаемые длины волн рентгеновского излучения. Лауэ сразу же высказал предположение о том, что если рентгеновское излучение действительно является электромагнитными волнами, то кристалл будет действовать на него как трехмерная дифракционная решетка. Из кристалла по различным направлениям исходило бы рассеянное на отдельных атомах рентгеновское излучение и порождало бы дифракционную картину, состоящую из светлых точек, куда приходят лучи, совпадающие по фазе и поэтому усиливающие друг друга, и темных областей, где сходятся лучи, в той или иной мере не совпадающие по фазе и поэтому гасящие друг друга.

Таким образом, Лауэ подходит к очень  важному открытию в области физики.

 

Метод Лауэ.

Лауэ предложил эксперимент, который  позволил бы подтвердить или опровергнуть выдвинутую им гипотезу, а в ожидании, пока найдутся желающие и соответствующее оборудование, принялся за преодоление некоторых теоретических возражений. В апреле 1912 г. сотруднику Мюнхенского университета Вальтеру Фридриху (ассистенту Зоммерфельда) и аспиранту того же университета Паулю Книппингу удалось направить на кристалл медного купороса (сульфата меди) узкий пучок рентгеновского излучения и зафиксировать рассеянное на кристалле излучение на фотопластинке. Их первым успехом была дифракционная картина из темных точек, которую они увидели, когда проявили пластинку (темные пятна на негативе соответствуют большой засветке). Ныне такие дифракционные картины носят название лауэграмм. Даже если падающее рентгеновское излучение состояло из смеси различных длин волн, в темные точки приходило излучение с одной и той же длиной волны. Это было еще одним подтверждением того, что наблюдалась интерференция электромагнитных волн. Соотношения между фазами волн различной длины слишком сложны для того, чтобы порождать четкую дифракционную картину. Но присутствующие в смеси излучения с какой-либо определенной длиной волны могут селективно порождать четкую дифракционную картину, хорошо различимую на общем фоне. Вдохновленный подтверждением своей гипотезы, Лауэ справился со всеми математическими трудностями. Он обнаружил, что для описания дифракции на двухмерной решетке необходимо несколько раз повторить расчеты, проводимые в случае рассеяния на одномерной решетке.

Выведенные им уравнения позволили  установить соответствие между экспериментально наблюдаемыми лауэграммами, с одной стороны, и реальными положениями атомов в кристаллах и длиной волны рентгеновского излучения – с другой. Тем самым Лауэ открыл очень перспективную область исследования (рентгеновскую кристаллографию), в которой рентгеновское излучение используется для определения структуры кристаллов, а в кристаллах известной структуры – для определения длин волн рентгеновского излучения. Анализ рентгеновского излучения, испускаемого атомами (рентгеновская спектроскопия), оказался весьма важным для понимания структуры атома. Эйнштейн называл открытие Лауэ «одним из наиболее красивых в физике».

 

Использование рентгеновских  лучей в технике

Глаз человека приспособлен к восприятию лишь световых солнечных  лучей. Другие известные науке лучи - тепловые (инфракрасные) и ультрафиолетовые, которые поступают на нашу планету вместе со световыми, а также рентгеновские и гамма-лучи, радиоволны - относятся к невидимым лучам. Как видимые, так и невидимые лучи по своей природе представляют электромагнитные волны, различающиеся между собой в основном по длине. Самыми длинными являются радиоволны (от 0,1 миллиметра до 2 тысяч метров), наиболее короткими - рентгеновские и гамма-лучи. Последние по своим свойствам и длине волн вполне аналогичны друг другу и отличаются не физической природой, а методом получения. В то время как гамма-лучи возникают в процессе так называемого распада радиоактивных веществ, рентгеновские лучи образуются при бомбардировке какого-либо тела электронами или рентгеновскими же лучами.

Рентгеновские лучи получают в специальных разрядных трубках, внутри которых размещаются два  электрода: отрицательный (катод), в  виде вольфрамовой нити, и положительный (анод), представляющий собой пластинку, установленную под определенным углом к нити. При прохождении по катоду электрического тока нить раскаляется, движущиеся с огромной скоростью электроны вылетают из нее и устремляются к аноду. Бомбардировка анода электронами и вызывает появление электромагнитных волн. При торможении электронов возникают рентгеновские лучи, состоящие из набора разных длин волн. Это излучение с оптической точки зрения часто называют белым рентгеновским светом. Ибо обычный видимый свет также состоит из набора разных волн, хотя и гораздо более длинных, чем у рентгеновских лучей.

Длина рентгеновских  лучей зависит от скорости движения электронов, а скорость - от величины анодного электрического напряжения. Чем меньше напряжение, тем больше длина волны, тем мягче лучи. И наоборот, с увеличением напряжения уменьшается длина волн, возрастает жесткость лучей. Длина волн рентгеновских лучей измеряется ангстремами. Ангстрем равен одной стомиллионной доле сантиметра. Наиболее длинноволновые рентгеновские лучи (около 1300 ангстрем) были получены в 1927 году советскими учеными академиком П. И. Лукирским и профессором С. И. Прилежаевым.