Este artigo contém uma descrição de algo como difração de raios X. A base física deste fenômeno e suas aplicações são explicadas aqui.
Tecnologias para criar novos materiais
Inovação, a nanotecnologia é a tendência do mundo moderno. As notícias estão cheias de relatos de novos materiais revolucionários. Mas poucas pessoas pensam no enorme aparato de pesquisa que os cientistas precisam para criar pelo menos uma pequena melhoria nas tecnologias existentes. Um dos fenômenos fundamentais que ajudam as pessoas a fazer isso é a difração de raios X.
Radiação eletromagnética
Primeiro você precisa explicar o que é radiação eletromagnética. Qualquer corpo carregado em movimento gera um campo eletromagnético ao seu redor. Esses campos permeiam tudo ao redor, mesmo o vácuo do espaço profundo não está livre deles. Se em tal campo existem perturbações periódicas que podem se propagar no espaço, elas são chamadas de radiação eletromagnética. Para descrevê-lo, são utilizados conceitos como comprimento de onda, frequência e sua energia. O que é energia é intuitivo, e o comprimento de onda é a distância entrefases idênticas (por exemplo, entre dois máximos adjacentes). Quanto maior o comprimento de onda (e, consequentemente, a frequência), menor sua energia. Lembre-se de que esses conceitos são necessários para descrever o que é difração de raios X de forma concisa e sucinta.
Espectro eletromagnético
Toda variedade de raios eletromagnéticos se encaixa em uma escala especial. Dependendo do comprimento de onda, eles distinguem (do mais longo para o mais curto):
- ondas de rádio;
- ondas terahertz;
- ondas infravermelhas;
- ondas visíveis;
- ondas ultravioleta;
- Ondas de raios-X;
- radiação gama.
Assim, a radiação que nos interessa tem um comprimento de onda muito curto e as energias mais altas (e é por isso que às vezes é chamada de dura). Portanto, estamos chegando mais perto de descrever o que é a difração de raios X.
A origem dos raios X
Quanto maior a energia da radiação, mais difícil é obtê-la artificialmente. Tendo feito um incêndio, uma pessoa recebe muita radiação infravermelha, porque é ela que transfere calor. Mas para que ocorra a difração de raios X por estruturas espaciais, muito esforço deve ser feito. Então, esse tipo de radiação eletromagnética é liberada quando um elétron é expulso da casca de um átomo, que está próximo ao núcleo. Os elétrons localizados acima tendem a preencher o buraco resultante, suas transições e dar fótons de raios-X. Além disso, durante a desaceleração acentuada de partículas carregadas com massa (por exemplo,elétrons), esses feixes de alta energia são produzidos. Assim, a difração de raios X em uma rede cristalina é acompanhada pelo gasto de uma quantidade bastante grande de energia.
Em escala industrial, esta radiação é obtida da seguinte forma:
- O cátodo emite um elétron de alta energia.
- Elétron colide com o material do ânodo.
- O elétron desacelera bruscamente (enquanto emite raios X).
- Em outro caso, a partícula em desaceleração expulsa um elétron da órbita baixa do átomo do material do ânodo, que também gera raios-X.
Também é necessário entender que, como qualquer outra radiação eletromagnética, os raios X têm seu próprio espectro. Esta radiação em si é amplamente utilizada. Todo mundo sabe que um osso quebrado ou uma massa nos pulmões é procurado com a ajuda de raios-x.
Estrutura de uma substância cristalina
Agora chegamos perto do que é o método de difração de raios X. Para fazer isso, é necessário explicar como um corpo sólido é organizado. Na ciência, um corpo sólido é chamado de qualquer substância em estado cristalino. Madeira, argila ou vidro são sólidos, mas f alta o principal: uma estrutura periódica. Mas os cristais têm essa propriedade incrível. O próprio nome desse fenômeno contém sua essência. Primeiro você precisa entender que os átomos no cristal são fixados rigidamente. As ligações entre eles têm algum grau de elasticidade, mas são fortes demais para que os átomos se movam por dentro.grades. Tais episódios são possíveis, mas com uma influência externa muito forte. Por exemplo, se um cristal de metal é dobrado, nele são formados defeitos pontuais de vários tipos: em alguns lugares, o átomo sai de seu lugar, formando uma vacância, em outros, ele se move para as posições erradas, formando um defeito intersticial. No local da curva, o cristal perde sua estrutura cristalina esbelta, torna-se muito defeituoso, solto. Portanto, é melhor não usar um clipe de papel que tenha sido dobrado uma vez, pois o metal perdeu suas propriedades.
Se os átomos são fixados rigidamente, eles não podem mais ser dispostos aleatoriamente um em relação ao outro, como nos líquidos. Eles devem se organizar de forma a minimizar a energia de sua interação. Assim, os átomos se alinham em uma rede. Em cada rede há um conjunto mínimo de átomos dispostos de maneira especial no espaço - esta é a célula elementar do cristal. Se o transmitirmos inteiramente, ou seja, combinarmos as arestas umas com as outras, deslocando-se em qualquer direção, obteremos o cristal inteiro. No entanto, vale lembrar que este é um modelo. Qualquer cristal real tem defeitos e é quase impossível obter uma tradução absolutamente precisa. As células de memória de silício modernas estão próximas dos cristais ideais. No entanto, obtê-los requer quantidades incríveis de energia e outros recursos. No laboratório, os cientistas obtêm estruturas perfeitas de vários tipos, mas, via de regra, os custos de sua criação são muito altos. Mas vamos supor que todos os cristais são ideais: em qualquerdireção, os mesmos átomos estarão localizados às mesmas distâncias uns dos outros. Essa estrutura é chamada de rede cristalina.
Estudo da estrutura cristalina
É devido a este fato que a difração de raios X em cristais é possível. A estrutura periódica dos cristais cria certos planos neles, nos quais há mais átomos do que em outras direções. Às vezes, esses planos são definidos pela simetria da rede cristalina, às vezes pelo arranjo mútuo dos átomos. Cada plano recebe sua própria designação. As distâncias entre os planos são muito pequenas: da ordem de vários angstroms (lembre-se, um angstrom é 10-10 metro ou 0,1 nanômetro).
No entanto, existem muitos planos de mesma direção em qualquer cristal real, mesmo um muito pequeno. A difração de raios X como método explora este fato: todas as ondas que mudaram de direção em planos de mesma direção são somadas, dando um sinal bastante claro na saída. Assim, os cientistas podem entender em que direções esses planos estão localizados dentro do cristal e julgar a estrutura interna da estrutura cristalina. No entanto, esses dados por si só não são suficientes. Além do ângulo de inclinação, você também precisa saber a distância entre os planos. Sem isso, você pode obter milhares de modelos diferentes da estrutura, mas não sabe a resposta exata. Como os cientistas aprendem sobre a distância entre os planos será discutido abaixo.
Fenômeno de difração
Já demos uma justificativa física do que é a difração de raios X na rede espacial dos cristais. No entanto, ainda não explicamos a essênciafenômenos de difração. Assim, a difração é o arredondamento de obstáculos por ondas (incluindo as eletromagnéticas). Esse fenômeno parece ser uma violação da lei da ótica linear, mas não é. Está intimamente relacionado às propriedades de interferência e onda de, por exemplo, fótons. Se houver um obstáculo no caminho da luz, devido à difração, os fótons podem “olhar” ao virar da esquina. A distância que a direção da luz viaja de uma linha reta depende do tamanho do obstáculo. Quanto menor o obstáculo, menor deve ser o comprimento da onda eletromagnética. É por isso que a difração de raios X em monocristais é realizada usando ondas tão curtas: a distância entre os planos é muito pequena, os fótons ópticos simplesmente não “rastejam” entre eles, mas são refletidos apenas na superfície.
Tal conceito é verdadeiro, mas na ciência moderna é considerado muito estreito. Para ampliar sua definição, bem como para erudição geral, apresentamos métodos para a manifestação da difração de ondas.
- Mudando a estrutura espacial das ondas. Por exemplo, a expansão do ângulo de propagação de um feixe de onda, a deflexão de uma onda ou uma série de ondas em alguma direção preferencial. É a essa classe de fenômenos que pertence a curvatura das ondas em torno dos obstáculos.
- Decomposição de ondas em um espectro.
- Mudança na polarização da onda.
- Transformação da estrutura de fase das ondas.
O fenômeno da difração, juntamente com a interferência, é responsável pelo fato de que quando um feixe de luz é direcionado para uma fenda estreita atrás dele, vemos não um, mas váriosmáximos de luz. Quanto mais longe o máximo estiver do meio do slot, maior será sua ordem. Além disso, com a configuração correta do experimento, a sombra de uma agulha de costura comum (claro, fina) é dividida em várias listras, e o máximo de luz é observado exatamente atrás da agulha, e não o mínimo.
Fórmula Wulf-Bragg
Já dissemos acima que o sinal final é a soma de todos os fótons de raios X que são refletidos de planos com a mesma inclinação dentro do cristal. Mas uma relação importante permite calcular com precisão a estrutura. Sem ele, a difração de raios X seria inútil. A fórmula de Wulf-Bragg fica assim: 2dsinƟ=nλ. Aqui d é a distância entre planos com o mesmo ângulo de inclinação, θ é o ângulo de visão (ângulo de Bragg), ou o ângulo de incidência no plano, n é a ordem do máximo de difração, λ é o comprimento de onda. Como se sabe de antemão qual espectro de raios X é usado para obter os dados e em que ângulo essa radiação cai, essa fórmula permite calcular o valor de d. Já dissemos um pouco mais alto que sem esta informação é impossível obter com precisão a estrutura de uma substância.
Aplicação moderna de difração de raios X
Surge a questão: em que casos essa análise é necessária, os cientistas já exploraram tudo no mundo da estrutura, e as pessoas, ao obter substâncias fundamentalmente novas, não assumem que tipo de resultado os espera ? Há quatro respostas.
- Sim, conhecemos muito bem o nosso planeta. Mas todos os anos novos minerais são encontrados. Às vezes, sua estrutura é mesmoacho que sem raios-x não vai funcionar.
- Muitos cientistas estão tentando melhorar as propriedades de materiais já existentes. Estas substâncias são submetidas a vários tipos de processamento (pressão, temperatura, lasers, etc.). Às vezes, os elementos são adicionados ou removidos de sua estrutura. A difração de raios X em cristais ajudará a entender quais rearranjos internos ocorreram neste caso.
- Para algumas aplicações (por exemplo, mídia ativa, lasers, cartões de memória, elementos ópticos de sistemas de vigilância), os cristais devem ser combinados com muita precisão. Portanto, sua estrutura é verificada usando este método.
- A difração de raios X é a única maneira de descobrir quantas e quais fases foram obtidas durante a síntese em sistemas multicomponentes. Elementos cerâmicos da tecnologia moderna podem servir como exemplo de tais sistemas. A presença de fases indesejadas pode levar a sérias consequências.
Exploração Espacial
Muitas pessoas perguntam: "Por que precisamos de grandes observatórios na órbita da Terra, por que precisamos de um rover se a humanidade ainda não resolveu os problemas da pobreza e da guerra?"
Todo mundo tem seus próprios motivos a favor e contra, mas é claro que a humanidade deve ter um sonho.
Portanto, olhando para as estrelas, hoje podemos dizer com confiança: sabemos mais e mais sobre elas a cada dia.
Os raios X de processos que ocorrem no espaço não atingem a superfície do nosso planeta, são absorvidos pela atmosfera. Mas esta parteO espectro eletromagnético carrega muitos dados sobre fenômenos de alta energia. Portanto, os instrumentos que estudam os raios X devem ser retirados da Terra, em órbita. Atualmente as estações existentes estão estudando os seguintes objetos:
- restos de explosões de supernovas;
- centros de galáxias;
- estrelas de nêutrons;
- buracos negros;
- colisões de objetos massivos (galáxias, grupos de galáxias).
Surpreendentemente, de acordo com vários projetos, o acesso a essas estações é oferecido a alunos e até mesmo escolares. Eles estudam os raios X vindos do espaço profundo: difração, interferência, espectro tornam-se o assunto de seu interesse. E alguns usuários muito jovens desses observatórios espaciais estão fazendo descobertas. Um leitor meticuloso pode, é claro, objetar que eles só têm tempo para ver fotos de alta resolução e notar detalhes sutis. E, claro, a importância das descobertas, como regra, é compreendida apenas por astrônomos sérios. Mas esses casos inspiram os jovens a dedicarem suas vidas à exploração espacial. E vale a pena perseguir esse objetivo.
Assim, as conquistas de Wilhelm Conrad Roentgen abriram o acesso ao conhecimento estelar e a capacidade de conquistar outros planetas.
