Открытие дифракции рентгеновских лучей в кристаллах

Однако рентгеновские  лучи с длиной волны более двух ангстремов сильно поглощаются в воздухе и поэтому почти не находят применения на практике. Так же мало используются и лучи с очень короткими длинами волн. Наибольшее распространение в технике и науке получили рентгеновские лучи с длинами волн от 2 до примерно 0,05 ангстрема. Благодаря своим замечательным свойствам они широко используются для просвечивания различных тел и изучения их строения, для исследования структуры веществ и их химического состава. В этой статье мы кратко раскажем о состоянии и успехах основных областей рентгенографии в технике.

Рентгеновское просвечивание.

Рентгеновский луч, проходя  сквозь различные вещества, поглощается  ими не в одинаковой степени. На этом свойстве и основано так называемое рентгеновское просвечивание, или, как часто говорят, рентгеновская дефектоскопия. Чем плотнее вещество, чем больше его атомный номер в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, тем выше его поглощающая способность по отношению к рентгеновским лучам. С другой стороны, это поглощение зависит и от проникающей способности самих лучей, или их жесткости. Чем толще объект и чем выше его атомный номер, тем большее напряжение надо приложить к трубке.

Поместим кусок металла  на пути рентгеновских лучей. Если предмет  не вполне однороден и в нем есть пустоты (например, усадочные раковины, газовые пузыри) или трещины, включения (например, шлаковины), то при просвечивании лучи в этих дефектах поглощаются меньше, чем в основном материале. В результате на фотопленке, помещенной за предметом, получается изображение этих дефектов в виде темных точек, линий или пятен. Так по рентгеновскому снимку можно судить о степени однородности отливки, о качестве сварного шва и т. п. На этом же принципе основывается применение рентгеновских лучей в медицинской диагностике. Однако объекты, с которыми приходится иметь дело в этом случае, значительно меньше поглощают рентгеновские лучи и более контрастны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Рентгеновское просвечивание

Рентгеноскопия металлов получила на советских заводах широкое распространение. Применяемые обычно установки позволяют просвечивать слой стали толщиной примерно до 70 миллиметров. Для просвечивания более толстых кусков металла используются специальные высоковольтные рентгеновские установки или же гамма-лучи радиоактивных веществ, при помощи которых удается просвечивать металл толщиною до 300 миллиметров. Но так как гамма-лучи мало поглощаются в металле (благодаря чему и удается просвечивать такие толстые изделия), то четкость снимков и возможность выявления дефектов оказываются значительно меньшими, чем при рентгеноскопии. В СССР введен обязательный рентгеновский контроль сварных швов во многих изделиях. Тщательные рентгеносъемки делаются, например, при изготовлении паровых котлов, деталей самолетов, боковых обшивок корабля и т. д. Рентгеновское просвечивание является, таким образом, одним из важных средств в борьбе за повышение качества продукции на промышленных предприятиях нашей страны.

Рентгено-структурный  анализ.

Если пропустить пучок  рентгеновских лучей сквозь какое-либо кристаллическое вещество, то он рассеивается на атомах решетки. Картина дифракции (рассеивания) лучей, сфотографированная на фотопленке, составляет рентгенограмму кристалла. Исследование вида, расположения и яркости отдельных отражений позволяет определить способ расположения в решетке кристаллообразующих частиц (атомов, ионов, молекул), характер неправильностей, имеющихся в решетке, и т. п. На основе рентгенограммы и закона построения кристаллов, открытого выдающимся русским ученым Е. С. Федоровым, а также специальных математических вычислений можно определить атомную структуру исследуемого тела.

При рентгено-структурном  анализе применяются трубки особой конструкции, являющиеся источником рентгеновских  лучей определенной длины волн. Для  получения рентгенограммы необходимо вращать кристалл при съемке, или пользоваться порошком из большого количества мелких кристалликов, или, наконец, применять излучение, из набора разных длин волн с белым рентгеновским светом. Каждый из этих методов съемки может быть применен при рентгено-структурном анализе. Изучение атомной структуры металлов, состоящих, как известно, из большого числа мелких кристалликов, особенно удобно производить с помощью метода порошков. В качестве образца часто берется металлическая проволока, устанавливаемая в камере для съемки.

Рентгено-структурный  анализ применяется при изготовлении металлических изделий, проковке металла  и других способах термической или  механической обработки деталей, а  также во многих иных случаях, когда  необходимо изучение структуры тела.

Если пропустить пучок  рентгеновских лучей сквозь какое-либо кристаллическое вещество, то он рассеивается на атомах решетки. Картина дифракции (рассеивания) лучей, сфотографированная на фотопленке, составляет рентгенограмму кристалла. Исследование вида, расположения и яркости отдельных отражений позволяет определить способ расположения в решетке кристаллообразующих частиц (атомов, ионов, молекул), характер неправильностей, имеющихся в решетке, и т. п. На основе рентгенограммы и закона построения кристаллов, открытого выдающимся русским ученым Е. С. Федоровым, а также специальных математических вычислений можно определить атомную структуру исследуемого тела.

При рентгено-структурном  анализе применяются трубки особой конструкции, являющиеся источником рентгеновских лучей определенной длины волн. Для получения рентгенограммы необходимо вращать кристалл при съемке, или пользоваться порошком из большого количества мелких кристалликов, или, наконец, применять излучение, из набора разных длин волн с белым рентгеновским светом. Каждый из этих методов съемки может быть применен при рентгено-структурном анализе. Изучение атомной структуры металлов, состоящих, как известно, из большого числа мелких кристалликов, особенно удобно производить с помощью метода порошков. В качестве образца часто берется металлическая проволока, устанавливаемая в камере для съемки.

Рентгено-структурный  анализ применяется при изготовлении металлических изделий, проковке металла  и других способах термической или  механической обработки деталей, а также во многих иных случаях, когда необходимо изучение структуры тела.

Рентгено-спектральный анализ.

При бомбардировке электронами  какого-либо вещества возникают не только лучи, связанные с торможением  электронов, но и излучение определенных длин волн. Это излучение состоит из нескольких групп линий, называемых сериями. Для атомов каждого вещества длины всех этих волн характерны и определенны. Поэтому самое излучение называется характеристическим. Чтобы установить наличие какого-либо элемента в химическом соединении, достаточно измерить длины волн характеристических лучей, испускаемых при бомбардировке его атомов электронами (или жесткими рентгеновскими лучами). Таким образом, при помощи рентгеновских лучей можно провести химический анализ, то есть определить состав атомов изучаемого вещества.

Установка для рентгено-спектрального  анализа состоит из двух основных частей: разборной трубки и особого  прибора - спектрографа. На анод рентгеновской  трубки наносится анализируемое  вещество. При бомбардировке в вакууме этого вещества электронами возбуждается характеристическое рентгеновское излучение его атомов. Длины волн различных линий характеристических рентгеновских лучей измеряются с помощью спектрографа. В конструкции автора этот прибор состоит из следующих основных частей: щели, выделяющей узкий пучок рентгеновских лучей; кристалла, за счет отражения от которого получается рентгеновский спектр; кассеты для рентгенопленки, на которой фиксируются линии спектра. Далее, спектрограф снабжен еще механизмом для качания кристалла, благодаря чему рентгеновские лучи падают на него под разными углами и разлагаются в спектр.

Получив рентгеновский  спектр, определяют для всех его  линий угол скольжения лучей относительно отражающей плоскости кристалла. Это  позволяет математически вычислить длину волны рентгеновских лучей каждой из линий. Затем по таблицам находят, каким элементам соответствуют линии с измеренной длиной волны. Таким образом выявляются элементы вещества, испускающего рентгеновские лучи, и проводится его качественный рентгено-спектральный анализ. Вполне возможно также осуществить количественный рентгено-спектральный анализ, то есть установить количественное соотношение элементов, из которых состоит исследуемый предмет.

Рентгено-структурный  и рентгено-спектральный анализы являются эффективными способами изучения атомной структуры и химического состава вещества, особенно в тех случаях, когда неприменимы другие физико-химические методы. Так, например, только благодаря применению рентгенографии удалось открыть структурные формулы кремнекислородных соединений, лежащих в основе силикатов.

Рентгеновская микроскопия.

В настоящее время  находят применение на практике два  способа рентгеновской микроскопии: контактный и диффракционный. При  контактном методе съемки изучаемый предмет в виде тонкой пластинки (0,05-0,15 миллиметра) просвечивается пучком рентгеновских лучей. Изображение воспроизводится на фотопластинке, находящейся в непосредственной близости от объекта, и затем рассматривается с помощью обычного микроскопа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 Рентгеновская микроскопия

Увеличение (линейное) зависит  от сорта применяемых фотопластинок  и не превышает 400. Для получения  контрастного изображения при съемке пластинку резко передерживают (в 30 раз по сравнению с обычным временем экспозиции), а затем сильно недопроявляют. При этом применяются специальные сорта малозернистых проявителей, лучше всего парафенилен-диаминовые.

Этот метод позволяет  наиболее эффективно изучить составные  части металлических сплавов, особенно крупнокристаллических, ясно различать в них элементы, отличающиеся всего на один атомный номер. Этот способ используется и в биологии. С его помощью можно, например, изучить отложение того или иного неорганического вещества в органической ткани, например, отложение соли в стенках сосудов при склерозе, и т. п.

Другой метод - так  называемая диффракционная рентгеновская  микроскопия - был разработан автором  настоящей статьи в 1938-1939 годах. При  этом способе используется параллельный пучок рентгеновских лучей, падающий на кристалл под определенным углом. Фотографическая пластинка располагается близко к изучаемой поверхности. Распределение почернения на пластинке будет зависеть от структуры поверхности. Правильный кристалл, например, даст линию с уменьшающейся интенсивностью к краям, а кристалл с нарушенной решеткой - более или менее своеобразное искажение картины. Для исследования возможно большей поверхности следует иметь рентгеновскую трубку с размытым фокусом. Наибольшее сходство картины отражения с поверхностью кристалла достигается путем расположения пластинки параллельно или почти параллельно кристаллу. Максимальная интенсивность изображения достигается при прохождении пучка рентгеновских лучей через широкую щель.

Подобная установка  была применена нами (совместно с Вайнштейном и Флеровой) для изучения плоского кристалла, а также изогнутого кристалла.

 

Заключение

Вывод.

«За открытие дифракции  рентгеновских лучей на кристаллах»  Лауэ был удостоен Нобелевской премии по физике 1914 г. Представляя лауреата, Г.Д. Гранквист из Шведской королевской академии сказал: «В результате открытия Лауэ было неопровержимо установлено, что рентгеновское излучение представляет собой световые волны очень малой длины. Кроме того, оно привело к наиболее важным открытиям в области кристаллографии... Открытие Лауэ, – продолжал Гранквист, – позволяет определить положение атомов в кристаллах и получить много полезных сведений».

Работа Лауэ легла  в основу многих открытий: методов  рентгеновской кристаллографии  Уильяма Л. Брэгга, установления молекулярной структуры пенициллина Дороти К. Ходжкин и аминокислот Джоном К. Кендрю и Максом Перуцем. Она способствовала дальнейшему развитию спектроскопии и физики твердого тела. Усовершенствуя свою теорию интерференции рентгеновского излучения, Лауэ исследовал взаимодействие между атомами в кристалле и падающим электромагнитным излучением. В конце жизни он подошел к теории дифракции с совершенно новой стороны, рассматривая вместо традиционных амплитуд волн поток энергии. В 30-е гг. Лауэ принял участие в работах Вальтера Мейсснера, приведших к открытию эффекта выталкивания сверхпроводника из магнитного поля.

Помимо Нобелевской  премии, Лауэ был удостоен многих других наград, в том числе медали Макса  Планка Германского физического  общества (1932) и Большого креста ордена «За федеральные заслуги» правительства ФРГ (1953). Он был почетным доктором Боннского, Штутгартского, Мюнхенского, Берлинского, Манчестерского и Чикагского университетов, членом многочисленных научных обществ, в том числе Американского, Германского, Французского физических обществ, и Венской академии наук. В 1948 г. Лауэ был избран почетным президентом Международного союза кристаллографов, в 1953 г. произведен в офицеры ордена Почетного легиона.

 

Список используемой литературы

1. Лауреаты Нобелевской премии: Энциклопедия. Пер. с англ.– М.: Прогресс, 1992. 2. Википедия (http://ru.wikipedia.org/wiki/Лауэ,_Макс_фон)