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什么是X射线衍射？

本文介绍了X射线衍射等概念。这解释了这种现象的物理基础及其应用。

创造新材料的技术

创新，纳米技术 - 这是现代世界的潮流。这个消息充满了关于新革命性材料的报道。但很少有人想知道科学家需要什么巨大的研究设备来创造现有技术的至少一个小的改进。帮助人们的基本现象之一是X射线衍射。

电磁辐射

首先你需要解释什么是电磁辐射。任何移动的带电体在其周围产生电磁场。这些领域渗透到周围的一切，甚至深空的真空也不是没有的。如果在这样一个可以在空间传播的领域出现周期性的扰动，那么它们被称为电磁辐射。对于其描述，应用诸如波长，频率及其能量的概念。能量是直观可理解的，波长是相同相位之间的距离（例如，在两个相邻的最大值之间）。波长越高（相应地，频率）越低，其能量越低。回想一下，这些概念是描述什么是X射线衍射是简短和宽容的必要。

电磁谱

各种电磁波束适合特殊规模。根据波长，区别（从最长到最短）：

无线电波;
太赫兹波
红外波;
可见波;
紫外线波
X射线波;
伽玛辐射

因此，我们感兴趣的辐射具有非常小的波长和最高的能量（因此有时被称为硬的）。因此，我们正在接近描述X射线衍射是什么。

原产地X射线

辐射能量越高，人为获得的难度就越大。离婚后，一个人收到大量的红外辐射，因为它传递热量。但是对于空间结构的X射线衍射，需要做很多工作。所以，这种电磁辐射被释放出来，如果你从靠近核的原子壳中敲出电子。位于上面的电子倾向于填充形成的孔，它们的转变并给出X射线光子。此外，由于具有质量（例如电子）的带电粒子的强烈抑制，产生这些高能射线。因此，X射线在晶格上的衍射伴随着足够大的能量的消耗。

在工业规模上，这种辐射得到如下：

阴极以高能量发射电子。
电子与阳极材料碰撞。
电子突然抑制（同时发射X射线）。
在另一种情况下，阻滞颗粒从阳极材料的原子的低轨道撞击电子，这也产生x射线。

还必须理解，与任何其它电磁辐射一样，X射线具有其自己的光谱。这种辐射被广泛使用。每个人都知道，在X射线的帮助下，精确地寻找断裂的骨骼或肺部的形成。

结晶物质的结构

现在我们接近X射线衍射方法。为此，有必要解释一个实体如何安排。在科学中，固体被称为结晶状态的任何物质。木材，粘土或玻璃很硬，但它们缺乏主要的：周期性结构。但是晶体有这个惊人的财产。这个现象的名字包含其本质。首先，我们必须明白，晶体中的原子是刚性固定的。它们之间的结合有一定程度的弹性，但是它们对于原子在晶格内移动来说太强了。这种情况是可能的，但具有非常强的外部效果。例如，如果金属晶体弯曲，则在其中形成不同类型的点缺陷：在一些地方，原子离开它的位置，形成空位，而在其它位置移动到未放置在其上的位置，形成插入缺陷。在弯曲点，晶体失去其细长的晶体结构，变得非常有缺陷，易碎。因此，这个夹子，一次没有，最好不要使用，因为金属失去了它的性质。

如果原子是刚性地固定的，那么它们就不能像液体那样在混沌状态下相互排列。它们的组织方式应尽可能减少他们互动的能量。因此，原子排列成格子。在每个格子中，存在最小的原子集，特别是位于空间中，是晶体的基本单元。如果它是完全广播的，就是将边缘相互结合，在任何方向移动，我们得到整个水晶。不过值得一提的是，这是一个模型。任何真正的水晶都有缺陷，几乎不可能实现绝对准确的广播。现代硅存储元件接近理想的晶体。然而，获得它们需要巨大的能量和其他资源。在实验室里，科学家们获得了不同类型的完美结构，但是一般来说，创造它们的成本太高了。但我们将假设所有的晶体是理想的：在任何方向上，相同的原子将彼此相同的距离。这种结构称为晶格。

晶体结构研究

由于这一事实，晶体上的X射线衍射是可能的。晶体的周期结构在其中产生一些平面，其中原子比其他方向多。有时，这些平面由晶格的对称性来设定，有时通过原子的相互排列。每个飞机都有自己的名称。飞机之间的距离非常小：几埃的数量级（记得埃及是10 ^-10米或0.1纳米）。

然而，任何真正的水晶中的一个方向的平面，甚至非常小，是很多的。作为一种方法的X射线衍射使用这一事实：将一个方向的平面上的方向改变的所有波相加，从而在输出处给出足够清晰的信号。所以科学家们可以理解这些飞机所在晶体内的什么方向，并判断晶体结构的内部结构。但是，只有这些数据是不够的。除了倾斜角度外，还需要知道平面之间的距离。没有这个，你可以获得数千种不同的结构模型，但不知道确切的答案。关于科学家如何学习飞机之间的距离，它会降低一点点。

衍射现象

我们已经给出了晶体上晶体X射线的衍射是什么的物理理由。然而，我们还没有解释衍射现象的本质。所以，衍射是包围障碍物的波浪（包括电磁波）。这种现象似乎违反了线性光学的规律，但并不是这样。它与干涉和波浪属性密切相关，例如光子。如果在光线路上存在障碍物，则由于衍射光子可以“瞥见”角落。光线从直线偏移的方向有多远取决于障碍物的大小。障碍物越小，电磁波的长度就越小。这就是为什么在这种短波的帮助下进行单晶X射线衍射的原因：平面之间的距离非常小，光学光子根本就不会在它们之间“爬行”，而只能从表面反射。

这样一个概念是真实的，但在现代科学中，它被认为太狭窄了。为了扩大其定义以及普遍的博弈，我们给出了表现波浪衍射的方法。

波浪空间结构的变化。例如，波束的传播角度的扩展，波的偏转或一些选定方向的波数。对于这种类型的现象，障碍物的波浪包围。
将波浪分解成光谱。
波浪极化的变化。
波的相位结构的变换。

衍射现象与干涉一起造成这样的事实，即当光束被引导到其后面的狭窄狭缝时，我们看不到一个，但是几个光的最大值。狭缝中间的最大距离越远，其顺序越高。另外，通过实验的正确配方，通常缝纫针（自然薄）的阴影被划分成几个带，光线最大而不是最小，在针后面。

沃尔夫布拉格公式

我们已经在上面说过，最终的信号是由所有的X射线光子组成的，这些光子从晶体内部具有相同斜率的平面反射出来。但是计算结构准确地允许一个重要的关系。没有它，X射线衍射将是无用的。 Wolf-Bragg公式如下：2dsinƟ=nλ。这里d是具有相同斜率的平面之间的距离，θ是滑移角（布拉格角）或平面上的入射角，n是衍射最大值的顺序，λ是波长。由于预先知道使用X射线光谱来获取数据，并且在该辐射下降的角度下，该公式可以计算d的值。稍微高一些，我们已经说过没有这个信息，就不可能准确地得到物质的结构。

现代应用X射线衍射

问题出在了：在什么情况下，这种分析是必要的，科学家们没有探索结构世界中的一切，而且当人们从根本上获得新的物质时，他们不期望他们期待什么样的结果？有四个答案。

是的，我们很好地学到了我们的星球。但每年他们都会发现新的矿物质。有时，如果没有X射线，它们的结构甚至可以被假设不起作用。
许多科学家正在努力改善现有材料的性质。这些物质经受不同类型的加工（压力，温度，激光等）。有时，元素被添加到结构或从其结构中移除。为了理解在这种情况下发生了什么内部重排，X射线在晶体上的衍射将有所帮助。
对于某些应用（例如，对于激光器的活动介质，存储卡，监视系统的光学元件），晶体必须非常准确地满足要求。因此，使用这种方法测试其结构。
X射线衍射是找出在多组分体系中合成中获得多少相以及哪些相的唯一方法。现代技术的陶瓷元素可以作为这种系统的一个例子。存在不必要的阶段可能会造成严重后果。

空间研究

许多人问：“为什么我们在地球的轨道上需要巨大的观测台，如果人类还没有解决贫穷和战争的问题，我们为什么需要流动站？”

每个人都有自己的利弊，但显然人类应该有一个梦想。

因此，看着星星，今天我们可以放心地说：我们每天都会更多地了解他们。

来自太空中发生的过程的X射线不会到达我们星球的表面，它们被大气吸收。但这部分电磁谱带有大量关于高能量现象的数据。因此，研究X射线的仪器必须从地球中取出，进入轨道。现有车站正在研究以下物体：

超新星爆炸的残余;
星系的中心;
中子星
黑洞;
大型物体（星系，星系群）的碰撞。

令人惊讶的是，对于不同的项目，向学生甚至小学生提供这些站点的访问。他们从深空研究X射线：衍射，干涉，光谱成为他们感兴趣的主题。这些空间天文台的一些非常年轻的用户发现了。当然，细致的读者可以争辩说，他们只是有时间以很好的决议拍摄照片，看到细微的细节。当然，发现的重要性通常只能由严重的天文科学家来理解。但是，这种情况激发了年轻人投入到探索外层空间的生活。这个目标值得关注。

因此，威廉·康拉德·伦根根的成就开启了获得恒星知识和征服其他行星的能力。