บทความนี้มีคำอธิบายของสิ่งเช่นการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ มีการอธิบายพื้นฐานทางกายภาพของปรากฏการณ์นี้และการนำไปใช้งานที่นี่
เทคโนโลยีสำหรับการสร้างวัสดุใหม่
นวัตกรรมนาโนเทคโนโลยีคือกระแสของโลกยุคใหม่ ข่าวดังกล่าวเต็มไปด้วยรายงานเกี่ยวกับการปฏิวัติรูปแบบใหม่ แต่มีเพียงไม่กี่คนที่คิดว่าเครื่องมือวิจัยขนาดใหญ่ที่นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องสร้างการปรับปรุงเล็กน้อยในเทคโนโลยีที่มีอยู่เป็นอย่างน้อย ปรากฏการณ์พื้นฐานอย่างหนึ่งที่ช่วยให้ผู้คนทำเช่นนี้ได้คือการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์
รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
ก่อนอื่นคุณต้องอธิบายว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้าคืออะไร วัตถุที่มีประจุที่เคลื่อนที่จะสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้ารอบตัวมันเอง ทุ่งเหล่านี้แผ่ซ่านไปทั่ว แม้แต่สุญญากาศของห้วงอวกาศก็ไม่ว่างจากพวกมัน หากในเขตดังกล่าวมีการรบกวนเป็นระยะที่สามารถแพร่กระจายในอวกาศได้จะเรียกว่ารังสีแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่ออธิบายสิ่งนี้ แนวคิดต่างๆ เช่น ความยาวคลื่น ความถี่ และพลังงานถูกนำมาใช้ พลังงานคืออะไรโดยสัญชาตญาณและความยาวคลื่นคือระยะห่างระหว่างเฟสที่เหมือนกัน (เช่น ระหว่างค่าสูงสุดสองอันที่อยู่ติดกัน) ยิ่งความยาวคลื่นสูง (และตามความถี่) พลังงานก็จะยิ่งต่ำลง โปรดจำไว้ว่าแนวคิดเหล่านี้มีความจำเป็นในการอธิบายว่าการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์เป็นอย่างไรอย่างกระชับและรัดกุม
สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าหลากหลายรูปแบบพอดีกับสเกลพิเศษ ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น พวกเขาแยกแยะ (จากที่ยาวที่สุดไปหาสั้นที่สุด):
- คลื่นวิทยุ;
- คลื่นเทระเฮิรตซ์;
- คลื่นอินฟราเรด;
- คลื่นที่มองเห็นได้;
- คลื่นอัลตราไวโอเลต;
- คลื่นเอ็กซ์เรย์;
- รังสีแกมมา
ดังนั้น รังสีที่เราสนใจจึงมีความยาวคลื่นสั้นมากและมีพลังงานสูงสุด (ซึ่งบางครั้งเรียกว่าแข็ง) ดังนั้นเราจึงเข้าใกล้การอธิบายว่าการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์คืออะไร
กำเนิดรังสีเอกซ์
พลังงานรังสียิ่งสูง ยิ่งยากต่อการได้รับพลังงานรังสี เมื่อก่อไฟแล้วบุคคลจะได้รับรังสีอินฟราเรดจำนวนมากเพราะเป็นการถ่ายเทความร้อน แต่เพื่อให้เกิดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์โดยโครงสร้างเชิงพื้นที่ ต้องใช้ความพยายามอย่างมาก ดังนั้น รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดนี้จึงถูกปลดปล่อยออกมาเมื่ออิเล็กตรอนถูกผลักออกจากเปลือกของอะตอม ซึ่งอยู่ใกล้กับนิวเคลียส อิเล็กตรอนที่อยู่ด้านบนมีแนวโน้มที่จะเติมเต็มรูที่เกิด การเปลี่ยนภาพ และให้โฟตอนเอ็กซ์เรย์ นอกจากนี้ ในระหว่างการลดความเร็วลงอย่างรวดเร็วของอนุภาคที่มีประจุซึ่งมีมวล (เช่นอิเล็กตรอน) ลำแสงพลังงานสูงเหล่านี้ถูกผลิตขึ้น ดังนั้นการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์บนตะแกรงคริสตัลจึงมาพร้อมกับการใช้พลังงานจำนวนมากพอสมควร
ในระดับอุตสาหกรรม รังสีนี้ได้ดังนี้:
- แคโทดปล่อยอิเล็กตรอนพลังงานสูง
- อิเล็กตรอนชนกับวัสดุของขั้วบวก
- อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช้าลงอย่างรวดเร็ว (ขณะเอ็กซ์เรย์)
- ในอีกกรณีหนึ่ง อนุภาคที่ชะลอความเร็วจะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากวงโคจรต่ำของอะตอมจากวัสดุแอโนด ซึ่งสร้างรังสีเอกซ์ด้วย
จำเป็นต้องเข้าใจด้วยว่ารังสีเอกซ์มีสเปกตรัมเช่นเดียวกับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่นๆ รังสีนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายมาก ทุกคนรู้ว่ากระดูกหักหรือก้อนเนื้อในปอดนั้นถูกมองหาด้วยการเอ็กซเรย์
โครงสร้างของสารที่เป็นผลึก
ตอนนี้เราเข้าใกล้วิธีการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์แล้ว ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องอธิบายว่าร่างกายแข็งแรงเป็นอย่างไร ในทางวิทยาศาสตร์ ร่างกายที่เป็นของแข็งเรียกว่าสารใดๆ ในสถานะผลึก ไม้ ดินเหนียวหรือแก้วเป็นของแข็ง แต่ไม่มีสิ่งสำคัญ: โครงสร้างเป็นระยะ แต่คริสตัลมีคุณสมบัติที่น่าทึ่งนี้ ชื่อของปรากฏการณ์นี้มีสาระสำคัญ ก่อนอื่นคุณต้องเข้าใจว่าอะตอมในคริสตัลได้รับการแก้ไขอย่างแน่นหนา พันธะระหว่างพวกมันมีความยืดหยุ่นในระดับหนึ่ง แต่พวกมันแข็งแกร่งเกินกว่าที่อะตอมจะเคลื่อนที่ไปมาภายในได้ตะแกรง ตอนดังกล่าวเป็นไปได้ แต่ด้วยอิทธิพลภายนอกที่แข็งแกร่งมาก ตัวอย่างเช่น หากคริสตัลโลหะโค้งงอ จุดบกพร่องประเภทต่างๆ จะก่อตัวขึ้นในนั้น: ในบางสถานที่ อะตอมจะออกจากที่ของมัน ก่อตัวเป็นตำแหน่งที่ว่าง ในส่วนอื่นๆ มันจะเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง ทำให้เกิดข้อบกพร่องคั่นระหว่างหน้า ที่บริเวณโค้งงอ คริสตัลสูญเสียโครงสร้างผลึกที่เรียวยาว มีตำหนิ หลวมมาก ดังนั้นจึงเป็นการดีกว่าที่จะไม่ใช้คลิปหนีบกระดาษที่ไม่งอเพียงครั้งเดียว เนื่องจากโลหะนั้นสูญเสียคุณสมบัติไป
ถ้าอะตอมถูกตรึงอย่างแน่นหนา จะไม่สามารถสุ่มจัดเรียงอะตอมให้สัมพันธ์กันได้อีกต่อไป เช่นเดียวกับในของเหลว พวกเขาต้องจัดระเบียบตัวเองในลักษณะที่จะลดพลังงานของการมีปฏิสัมพันธ์ของพวกเขา ดังนั้นอะตอมจึงเรียงกันเป็นโครงตาข่าย ในแต่ละตาข่ายจะมีชุดอะตอมขั้นต่ำที่จัดเรียงในลักษณะพิเศษในอวกาศ - นี่คือเซลล์พื้นฐานของคริสตัล ถ้าเราถ่ายทอดทั้งหมด นั่นคือ รวมขอบเข้าด้วยกัน ขยับไปในทิศทางใด เราจะได้คริสตัลทั้งหมด อย่างไรก็ตามควรจำไว้ว่านี่เป็นแบบจำลอง คริสตัลแท้ใดๆ มีข้อบกพร่อง และแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะแปลได้อย่างแม่นยำที่สุด เซลล์หน่วยความจำซิลิกอนสมัยใหม่อยู่ใกล้กับคริสตัลในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม การได้มานั้นต้องใช้พลังงานและทรัพยากรอื่นๆ จำนวนมากอย่างไม่น่าเชื่อ ในห้องปฏิบัติการ นักวิทยาศาสตร์ได้โครงสร้างที่สมบูรณ์แบบหลายประเภท แต่ตามกฎแล้ว ต้นทุนในการสร้างนั้นสูงเกินไป แต่เราจะถือว่าคริสตัลทั้งหมดอยู่ในอุดมคติ: ในทุก ๆทิศทางอะตอมเดียวกันจะอยู่ห่างจากกัน โครงสร้างนี้เรียกว่าคริสตัลแลตทิซ
การศึกษาโครงสร้างผลึก
เนื่องด้วยเหตุนี้การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์บนคริสตัลจึงเป็นไปได้ โครงสร้างเป็นระยะของผลึกสร้างระนาบบางอย่างในนั้นซึ่งมีอะตอมมากกว่าในทิศทางอื่น บางครั้งระนาบเหล่านี้ถูกกำหนดโดยสมมาตรของโครงตาข่ายคริสตัล บางครั้งเกิดจากการจัดเรียงอะตอมร่วมกัน เครื่องบินแต่ละลำได้รับการกำหนดชื่อของตัวเอง ระยะห่างระหว่างเครื่องบินมีขนาดเล็กมาก: เรียงตามลำดับของอังสตรอมหลายอัน (จำได้ว่า อังสตรอมคือ 10-10 เมตร หรือ 0.1 นาโนเมตร)
อย่างไรก็ตาม มีระนาบหลายชิ้นที่มีทิศทางเดียวกันในคริสตัลแท้ชิ้นใดก็ตาม แม้แต่ชิ้นที่เล็กมาก การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์เป็นวิธีการใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงนี้: คลื่นทั้งหมดที่เปลี่ยนทิศทางบนระนาบที่มีทิศทางเดียวกันจะถูกสรุปรวม ให้สัญญาณที่ค่อนข้างชัดเจนที่เอาต์พุต เพื่อให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเข้าใจทิศทางที่ระนาบเหล่านี้ตั้งอยู่ภายในคริสตัล และตัดสินโครงสร้างภายในของโครงสร้างผลึก อย่างไรก็ตาม ข้อมูลเหล่านี้เพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ นอกจากมุมเอียงแล้ว คุณต้องรู้ระยะห่างระหว่างระนาบด้วย หากไม่มีสิ่งนี้ คุณจะได้รับแบบจำลองโครงสร้างต่างๆ นับพันแบบ แต่ไม่รู้คำตอบที่แน่นอน วิธีที่นักวิทยาศาสตร์เรียนรู้เกี่ยวกับระยะห่างระหว่างเครื่องบินจะถูกกล่าวถึงด้านล่าง
ปรากฏการณ์การเลี้ยวเบน
เราได้ให้เหตุผลทางกายภาพแล้วว่าการเลี้ยวเบนของเอ็กซ์เรย์บนโครงตาข่ายเชิงพื้นที่ของคริสตัลคืออะไร อย่างไรก็ตาม เรายังไม่ได้อธิบายสาระสำคัญปรากฏการณ์การเลี้ยวเบน ดังนั้น การเลี้ยวเบนคือการปัดเศษของสิ่งกีดขวางด้วยคลื่น (รวมถึงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ปรากฏการณ์นี้ดูเหมือนจะเป็นการละเมิดกฎของเลนส์เชิงเส้น แต่ก็ไม่เป็นเช่นนั้น มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับคุณสมบัติการรบกวนและคลื่นของโฟตอน หากมีสิ่งกีดขวางทางแสง เนื่องจากการเลี้ยวเบน โฟตอนสามารถ "มอง" รอบมุมได้ ทิศทางของแสงเดินทางจากเส้นตรงได้ไกลแค่ไหนขึ้นอยู่กับขนาดของสิ่งกีดขวาง ยิ่งสิ่งกีดขวางมีขนาดเล็กเท่าใด ความยาวคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะยิ่งสั้นลงเท่านั้น นั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไมการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์บนผลึกเดี่ยวจึงเกิดขึ้นโดยใช้คลื่นสั้น เช่น ระยะห่างระหว่างระนาบมีขนาดเล็กมาก โฟตอนออปติคอลจะไม่ "คลาน" ระหว่างพวกมัน แต่จะสะท้อนจากพื้นผิวเท่านั้น
แนวคิดดังกล่าวเป็นความจริง แต่ในวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ถือว่าแคบเกินไป เพื่อขยายคำจำกัดความ เช่นเดียวกับความรู้ทั่วไป เรานำเสนอวิธีการสำหรับการปรากฎของการเลี้ยวเบนของคลื่น
- การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเชิงพื้นที่ของคลื่น ตัวอย่างเช่น การขยายตัวของมุมการแพร่กระจายของลำแสงคลื่น การโก่งตัวของคลื่น หรือชุดของคลื่นในทิศทางที่ต้องการ เป็นปรากฏการณ์ระดับนี้ที่คลื่นโค้งรอบสิ่งกีดขวาง
- การสลายตัวของคลื่นเป็นสเปกตรัม
- เปลี่ยนคลื่นโพลาไรซ์
- การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเฟสของคลื่น
ปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนร่วมกับการรบกวน เป็นตัวการที่ทำให้ลำแสงพุ่งตรงไปยังช่องแคบด้านหลัง เราไม่ได้เห็นแม้แต่จุดเดียว แต่มีหลายอย่างแสงสูงสุด ยิ่งค่าสูงสุดอยู่ห่างจากตรงกลางของสล็อตมากเท่าไร ลำดับก็จะยิ่งสูงขึ้น นอกจากนี้ ด้วยการตั้งค่าที่ถูกต้องของการทดลอง เงาจากเข็มเย็บผ้าธรรมดา (แน่นอนว่าบาง) จะถูกแบ่งออกเป็นหลายแถบ และสังเกตแสงสูงสุดด้านหลังเข็มพอดี ไม่ใช่ขั้นต่ำ
สูตรวูลฟ์-แบรกก์
เราได้กล่าวไปแล้วข้างต้นว่าสัญญาณสุดท้ายคือผลรวมของโฟตอนเอ็กซ์เรย์ทั้งหมดที่สะท้อนจากระนาบที่มีความเอียงเท่ากันภายในผลึก แต่ความสัมพันธ์ที่สำคัญอย่างหนึ่งทำให้คุณสามารถคำนวณโครงสร้างได้อย่างแม่นยำ หากไม่มีมัน การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ก็จะไร้ประโยชน์ สูตรวูลฟ์-แบรกก์มีลักษณะดังนี้: 2dsinƟ=nλ ในที่นี้ d คือระยะห่างระหว่างระนาบที่มีมุมเอียงเท่ากัน θ คือมุมสะท้อน (มุมแบรก) หรือมุมตกกระทบบนระนาบ n คือลำดับของการเลี้ยวเบนสูงสุด λ คือความยาวคลื่น เนื่องจากเป็นที่ทราบล่วงหน้าว่าสเปกตรัมรังสีเอกซ์ชนิดใดที่ใช้เพื่อให้ได้ข้อมูลและการแผ่รังสีนี้ตกอยู่ที่มุมใด สูตรนี้จึงช่วยให้เราคำนวณค่าของ d ได้ เราได้พูดไปแล้วสูงขึ้นเล็กน้อยว่าหากไม่มีข้อมูลนี้ เป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับโครงสร้างของสารอย่างแม่นยำ
การประยุกต์ใช้การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์สมัยใหม่
คำถามเกิดขึ้น: ในกรณีใดบ้างที่จำเป็นต้องทำการวิเคราะห์นี้ นักวิทยาศาสตร์ไม่ได้สำรวจทุกอย่างในโลกแห่งโครงสร้างแล้ว และเมื่อได้สารพื้นฐานใหม่ๆ มา ผู้คนไม่ได้คิดว่าผลลัพธ์แบบใดรอพวกเขาอยู่ ? มีสี่คำตอบ
- ใช่ เรารู้จักโลกของเราค่อนข้างดี แต่ทุกปีจะพบแร่ธาตุใหม่ บางครั้งโครงสร้างก็เท่ากันเดาว่าถ้าไม่มีเอ็กซ์เรย์จะไม่ทำงาน
- นักวิทยาศาสตร์หลายคนกำลังพยายามปรับปรุงคุณสมบัติของวัสดุที่มีอยู่แล้ว สารเหล่านี้ต้องผ่านกรรมวิธีประเภทต่างๆ (ความดัน อุณหภูมิ เลเซอร์ ฯลฯ) บางครั้งองค์ประกอบจะถูกเพิ่มหรือลบออกจากโครงสร้าง การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์บนคริสตัลจะช่วยให้เข้าใจว่ามีการจัดเรียงตัวภายในอย่างไรในกรณีนี้
- สำหรับบางแอพพลิเคชั่น (เช่น Active Media, เลเซอร์, เมมโมรี่การ์ด, องค์ประกอบออปติคัลของระบบ Surveillance) คริสตัลจะต้องถูกจับคู่อย่างแม่นยำมาก ดังนั้น โครงสร้างของพวกเขาจะถูกตรวจสอบโดยใช้วิธีนี้
- การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์เป็นวิธีเดียวที่จะค้นหาว่ามีกี่เฟสและเฟสใดที่ได้รับระหว่างการสังเคราะห์ในระบบที่มีหลายองค์ประกอบ องค์ประกอบเซรามิกของเทคโนโลยีสมัยใหม่สามารถใช้เป็นตัวอย่างของระบบดังกล่าวได้ การมีเฟสที่ไม่ต้องการสามารถนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ร้ายแรง
สำรวจอวกาศ
หลายคนถามว่า: "ทำไมเราถึงต้องการหอดูดาวขนาดใหญ่ในวงโคจรของโลก ทำไมเราถึงต้องการรถแลนด์โรเวอร์ ถ้ามนุษยชาติยังไม่ได้แก้ปัญหาความยากจนและสงคราม"
ทุกคนต่างก็มีเหตุผลของตัวเองที่จะต่อต้าน แต่ชัดเจนว่ามนุษยชาติต้องมีความฝัน
ดูดาววันนี้พูดได้อย่างมั่นใจ: เรารู้จักดาวพวกนี้มากขึ้นทุกวัน
รังสีเอกซ์จากกระบวนการที่เกิดขึ้นในอวกาศไม่ถึงพื้นผิวโลกของเรา พวกมันถูกดูดกลืนโดยชั้นบรรยากาศ แต่ส่วนนี้สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้ามีข้อมูลจำนวนมากเกี่ยวกับปรากฏการณ์พลังงานสูง ดังนั้นเครื่องมือที่ศึกษารังสีเอกซ์จึงต้องถูกนำออกจากโลกเข้าสู่วงโคจร สถานีที่มีอยู่ในปัจจุบันกำลังศึกษาวัตถุต่อไปนี้:
- เศษซากของซุปเปอร์โนวาระเบิด;
- ศูนย์กลางดาราจักร
- ดาวนิวตรอน;
- หลุมดำ;
- ชนกันของวัตถุขนาดใหญ่ (ดาราจักร กลุ่มดาราจักร)
น่าแปลกที่ตามโครงการต่างๆ การเข้าถึงสถานีเหล่านี้มีไว้สำหรับนักเรียนและแม้แต่เด็กนักเรียน พวกเขาศึกษารังสีเอกซ์ที่มาจากห้วงอวกาศ: การเลี้ยวเบน การรบกวน สเปกตรัมกลายเป็นหัวข้อที่น่าสนใจ และผู้ใช้หอสังเกตการณ์อวกาศอายุน้อยบางคนกำลังค้นพบ แน่นอน ผู้อ่านที่พิถีพิถันอาจปฏิเสธว่าพวกเขาเพิ่งมีเวลาดูภาพความละเอียดสูงและสังเกตเห็นรายละเอียดปลีกย่อย และแน่นอนว่าความสำคัญของการค้นพบนั้นเป็นที่เข้าใจโดยนักดาราศาสตร์ที่จริงจังเท่านั้น แต่กรณีดังกล่าวเป็นแรงบันดาลใจให้คนหนุ่มสาวอุทิศชีวิตเพื่อการสำรวจอวกาศ และเป้าหมายนี้น่าติดตาม
ดังนั้น ความสำเร็จของวิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน ได้เปิดการเข้าถึงความรู้เกี่ยวกับดาวฤกษ์และความสามารถในการพิชิตดาวเคราะห์ดวงอื่น