Makala haya yana maelezo ya kitu kama vile diffraction ya X-ray. Msingi wa kimwili wa jambo hili na matumizi yake yamefafanuliwa hapa.
Teknolojia za kuunda nyenzo mpya
Uvumbuzi, nanoteknolojia ndio mtindo wa ulimwengu wa kisasa. Habari zimejaa ripoti za nyenzo mpya za mapinduzi. Lakini watu wachache wanafikiria juu ya kile wanasayansi wa kifaa kikubwa cha utafiti wanahitaji kuunda angalau uboreshaji mdogo katika teknolojia zilizopo. Mojawapo ya matukio ya kimsingi ambayo husaidia watu kufanya hivi ni mgawanyiko wa X-ray.
Mionzi ya sumakuumeme
Kwanza unahitaji kueleza mionzi ya sumakuumeme ni nini. Mwili wowote unaosogea unaochaji hutoa uga wa sumakuumeme kuzunguka yenyewe. Mashamba haya yanaenea kila kitu kote, hata utupu wa nafasi ya kina sio bure kutoka kwao. Ikiwa katika uwanja huo kuna usumbufu wa mara kwa mara ambao unaweza kuenea katika nafasi, huitwa mionzi ya umeme. Ili kuielezea, dhana kama vile urefu wa wimbi, frequency na nishati yake hutumiwa. Nishati ni nini ni angavu, na urefu wa wimbi ni umbali katiawamu zinazofanana (kwa mfano, kati ya maxima mbili zilizo karibu). Ya juu ya urefu wa wimbi (na, ipasavyo, frequency), chini ya nishati yake. Kumbuka kwamba dhana hizi ni muhimu ili kueleza ni nini utaftaji wa X-ray ni kwa ufupi na kwa ufupi.
Wigo wa sumakuumeme
Aina zote za miale ya sumakuumeme inafaa kwa mizani maalum. Kulingana na urefu wa mawimbi, wanatofautisha (kutoka mrefu zaidi hadi mfupi zaidi):
- mawimbi ya redio;
- terahertz mawimbi;
- mawimbi ya infrared;
- mawimbi yanayoonekana;
- mawimbi ya ultraviolet;
- Mawimbi ya X-ray;
- mionzi ya gamma.
Hivyo, mionzi tunayovutiwa nayo ina urefu mfupi sana wa wimbi na nishati ya juu zaidi (ndio maana wakati mwingine inaitwa ngumu). Kwa hivyo, tunakaribia kuelezea utofauti wa X-ray ni nini.
Asili ya X-ray
Kadiri nishati ya mionzi inavyoongezeka, ndivyo inavyokuwa vigumu kuipata kwa njia isiyo halali. Baada ya kuwasha moto, mtu hupokea mionzi mingi ya infrared, kwa sababu ndio huhamisha joto. Lakini ili kutofautisha kwa X-rays na miundo ya anga kutokea, juhudi nyingi lazima zifanywe. Kwa hivyo, aina hii ya mionzi ya sumakuumeme hutolewa wakati elektroni inatolewa kutoka kwa ganda la atomi, ambalo liko karibu na kiini. Elektroni ziko hapo juu huwa na kujaza shimo linalosababisha, mabadiliko yao na kutoa picha za X-ray. Pia, wakati wa kupungua kwa kasi kwa chembe zilizoshtakiwa na misa (kwa mfano,elektroni), mihimili hii yenye nguvu nyingi hutolewa. Kwa hivyo, mgawanyiko wa mionzi ya X kwenye kimiani ya kioo huambatana na matumizi ya kiasi kikubwa cha nishati.
Kwa kiwango cha viwanda, mionzi hii hupatikana kama ifuatavyo:
- Kathodi hutoa elektroni yenye nishati nyingi.
- Elektroni hugongana na nyenzo ya anodi.
- Elektroni hupungua kasi (huku ikitoa mionzi ya X).
- Katika hali nyingine, chembe inayopungua kasi huondoa elektroni kutoka kwenye obiti ya chini ya atomi kutoka kwa nyenzo ya anode, ambayo pia hutoa X-ray.
Ni muhimu pia kuelewa kwamba, kama mionzi mingine yoyote ya kielektroniki, X-ray ina masafa yake. Mionzi hii yenyewe hutumiwa sana sana. Kila mtu anajua kwamba mfupa uliovunjika au wingi kwenye mapafu hutafutwa kwa msaada wa eksirei.
Muundo wa dutu ya fuwele
Sasa tunakaribia kutofautisha mbinu ya X-ray. Kwa kufanya hivyo, ni muhimu kueleza jinsi mwili imara hupangwa. Katika sayansi, mwili imara huitwa dutu yoyote katika hali ya fuwele. Mbao, udongo au kioo ni imara, lakini hawana jambo kuu: muundo wa mara kwa mara. Lakini fuwele zina mali hii ya kushangaza. Jina lenyewe la jambo hili lina asili yake. Kwanza unahitaji kuelewa kwamba atomi katika kioo ni fasta rigidly. Vifungo kati yao vina kiwango fulani cha unyumbufu, lakini vina nguvu sana kwa atomi kuzunguka ndani.gratings. Vipindi vile vinawezekana, lakini kwa ushawishi mkubwa sana wa nje. Kwa mfano, ikiwa kioo cha chuma kinapigwa, kasoro za uhakika za aina mbalimbali huundwa ndani yake: katika baadhi ya maeneo, atomi huacha mahali pake, na kutengeneza nafasi, kwa wengine, huhamia kwenye nafasi zisizofaa, na kutengeneza kasoro ya kati. Katika mahali pa bend, kioo hupoteza muundo wake wa fuwele nyembamba, inakuwa mbovu sana, huru. Kwa hivyo, ni bora kutotumia kipande cha karatasi ambacho hakikupigwa mara moja, kwani chuma kimepoteza sifa zake.
Iwapo atomi zimewekwa kwa uthabiti, haziwezi tena kupangwa kwa nasibu kuhusiana na kila moja, kama katika vimiminiko. Ni lazima wajipange kwa namna ambayo itapunguza nishati ya mwingiliano wao. Kwa hivyo, atomi hujipanga kwenye kimiani. Katika kila kimiani kuna seti ya chini ya atomi iliyopangwa kwa njia maalum katika nafasi - hii ni kiini cha msingi cha kioo. Ikiwa tutaitangaza kabisa, yaani, kuchanganya kingo na kila mmoja, kuhama kwa mwelekeo wowote, tutapata kioo nzima. Walakini, inafaa kukumbuka kuwa hii ni mfano. Kioo chochote halisi kina kasoro, na karibu haiwezekani kufikia tafsiri sahihi kabisa. Seli za kisasa za kumbukumbu za silicon ziko karibu na fuwele bora. Walakini, kuzipata kunahitaji kiasi cha ajabu cha nishati na rasilimali zingine. Katika maabara, wanasayansi hupata miundo kamili ya aina mbalimbali, lakini, kama sheria, gharama za uumbaji wao ni za juu sana. Lakini tutafikiri kwamba fuwele zote ni bora: kwa yoyotemwelekeo, atomi sawa zitakuwa ziko kwa umbali sawa kutoka kwa kila mmoja. Muundo huu unaitwa kimiani kioo.
Utafiti wa muundo wa fuwele
Ni kutokana na ukweli huu kwamba mgawanyiko wa X-ray kwenye fuwele unawezekana. Muundo wa mara kwa mara wa fuwele huunda ndege fulani ndani yao, ambayo kuna atomi zaidi kuliko katika mwelekeo mwingine. Wakati mwingine ndege hizi zimewekwa na ulinganifu wa kimiani ya kioo, wakati mwingine kwa mpangilio wa pamoja wa atomi. Kila ndege imepewa jina lake. Umbali kati ya ndege ni mdogo sana: kwa mpangilio wa angstrom kadhaa (kumbuka, angstrom ni 10-10 mita au 0.1 nanometer).
Hata hivyo, kuna ndege nyingi za mwelekeo sawa katika fuwele yoyote halisi, hata ndogo sana. Utaftaji wa X-ray kama njia hutumia ukweli huu: mawimbi yote ambayo yamebadilisha mwelekeo kwenye ndege za mwelekeo huo huo yanafupishwa, ikitoa ishara wazi kwa matokeo. Kwa hiyo wanasayansi wanaweza kuelewa katika mwelekeo gani ndege hizi ziko ndani ya kioo, na kuhukumu muundo wa ndani wa muundo wa kioo. Walakini, data hizi pekee hazitoshi. Mbali na angle ya mwelekeo, unahitaji pia kujua umbali kati ya ndege. Bila hii, unaweza kupata maelfu ya mifano tofauti ya muundo, lakini usijue jibu halisi. Jinsi wanasayansi wanavyojifunza kuhusu umbali kati ya ndege itajadiliwa hapa chini.
Tukio la mkanganyiko
Tayari tumetoa uhalali wa kimwili wa mchepuko wa X-ray kwenye kimiani ya anga ya fuwele ni. Hata hivyo, bado hatujaeleza kiinimatukio ya mgawanyiko. Kwa hivyo, diffraction ni kuzungusha kwa vizuizi na mawimbi (pamoja na sumakuumeme). Jambo hili linaonekana kuwa ni ukiukaji wa sheria ya optics ya mstari, lakini sivyo. Inahusiana kwa karibu na kuingiliwa na mali ya wimbi la, kwa mfano, photons. Ikiwa kuna kikwazo katika njia ya mwanga, basi kutokana na diffraction, photons zinaweza "kuangalia" karibu na kona. Umbali wa mwelekeo wa mwanga husafiri kutoka kwa mstari wa moja kwa moja inategemea ukubwa wa kikwazo. Kikwazo kidogo, urefu wa wimbi la umeme unapaswa kuwa mfupi. Ndio maana mgawanyiko wa X-ray kwenye fuwele moja hufanywa kwa kutumia mawimbi mafupi kama haya: umbali kati ya ndege ni mdogo sana, fotoni za macho "haitatambaa" kati yao, lakini zitaonyeshwa tu kutoka kwa uso.
Dhana kama hii ni kweli, lakini katika sayansi ya kisasa inachukuliwa kuwa finyu sana. Ili kupanua ufafanuzi wake, na pia kwa elimu ya jumla, tunawasilisha mbinu za udhihirisho wa mgawanyiko wa mawimbi.
- Kubadilisha muundo wa anga wa mawimbi. Kwa mfano, upanuzi wa angle ya uenezi wa boriti ya wimbi, kupotoka kwa wimbi au mfululizo wa mawimbi katika mwelekeo fulani unaopendekezwa. Ni kwa tabaka hili la matukio ambapo kupiga mawimbi kuzunguka vizuizi kunahusika.
- Mtengano wa mawimbi kuwa wigo.
- Mabadiliko katika mgawanyiko wa wimbi.
- Mabadiliko ya muundo wa awamu ya mawimbi.
Tukio la mgawanyiko, pamoja na kuingiliwa, linawajibika kwa ukweli kwamba wakati mwanga wa mwanga unaelekezwa kwenye mwanya mwembamba nyuma yake, hatuoni hata mmoja, lakini kadhaa.maxima mwanga. Upeo wa juu zaidi ni kutoka katikati ya slot, juu ya utaratibu wake. Kwa kuongeza, kwa mpangilio sahihi wa jaribio, kivuli kutoka kwa sindano ya kawaida ya kushona (bila shaka, nyembamba) imegawanywa katika kupigwa kadhaa, na upeo wa mwanga huzingatiwa hasa nyuma ya sindano, na sio chini.
Mfumo wa Wulf-Bragg
Tayari tumesema hapo juu kwamba mawimbi ya mwisho ni jumla ya fotoni zote za X-ray zinazoakisiwa kutoka kwa ndege zenye mwelekeo sawa ndani ya fuwele. Lakini uhusiano mmoja muhimu unakuwezesha kuhesabu kwa usahihi muundo. Bila hivyo, mgawanyiko wa X-ray hautakuwa na maana. Fomula ya Wulf-Bragg inaonekana kama hii: 2dsinƟ=nλ. Hapa d ni umbali kati ya ndege na angle ya mwelekeo sawa, θ ni angle ya kutazama (angle ya Bragg), au angle ya matukio kwenye ndege, n ni utaratibu wa upeo wa diffraction, λ ni urefu wa wimbi. Kwa kuwa inajulikana mapema ambayo wigo wa X-ray hutumiwa kupata data na kwa pembe gani mionzi hii inaanguka, formula hii inatuwezesha kuhesabu thamani ya d. Tayari tumesema juu kidogo kwamba bila taarifa hii haiwezekani kupata kwa usahihi muundo wa dutu.
Utumiaji wa kisasa wa diffraction ya X-ray
Swali linatokea: katika hali gani uchambuzi huu unahitajika, je, wanasayansi tayari wamechunguza kila kitu katika ulimwengu wa muundo, na si watu, wakati wa kupata dutu mpya, kudhani ni aina gani ya matokeo yanayowangoja. ? Kuna majibu manne.
- Ndiyo, tuliifahamu sayari yetu vyema. Lakini kila mwaka madini mapya hupatikana. Wakati mwingine muundo wao ni sawanadhani bila x-ray haitafanya kazi.
- Wanasayansi wengi wanajaribu kuboresha sifa za nyenzo zilizopo tayari. Dutu hizi zinakabiliwa na aina mbalimbali za usindikaji (shinikizo, joto, lasers, nk). Wakati mwingine vipengele huongezwa au kuondolewa kutoka kwa muundo wao. Tofauti ya X-ray kwenye fuwele itasaidia kuelewa ni mipango gani ya ndani ilifanyika katika kesi hii.
- Kwa baadhi ya programu (km, media tendaji, leza, kadi za kumbukumbu, vipengele vya macho vya mifumo ya uchunguzi), fuwele lazima zilingane kwa usahihi sana. Kwa hivyo, muundo wao unaangaliwa kwa kutumia mbinu hii.
- Mchanganyiko wa X-ray ndiyo njia pekee ya kujua ni ngapi na awamu gani zilipatikana wakati wa usanisi katika mifumo ya vijenzi vingi. Vipengele vya kauri vya teknolojia ya kisasa vinaweza kutumika kama mfano wa mifumo kama hiyo. Kuwepo kwa awamu zisizohitajika kunaweza kusababisha madhara makubwa.
Ugunduzi wa anga
Watu wengi huuliza: "Kwa nini tunahitaji uchunguzi mkubwa wa anga katika mzunguko wa Dunia, kwa nini tunahitaji rover ikiwa ubinadamu bado haujatatua matatizo ya umaskini na vita?"
Kila mtu ana sababu zake za kupinga na kukataa, lakini ni wazi kuwa ubinadamu lazima uwe na ndoto.
Kwa hiyo, tukizitazama nyota, leo tunaweza kusema kwa ujasiri: tunajua zaidi na zaidi kuzihusu kila siku.
Mionzi ya X kutoka kwa michakato inayotokea angani haifikii uso wa sayari yetu, humezwa na angahewa. Lakini sehemu hiiWigo wa sumakuumeme hubeba data nyingi kuhusu matukio ya nishati ya juu. Kwa hiyo, vyombo vinavyochunguza X-rays lazima vitolewe nje ya Dunia, kwenye obiti. Kwa sasa vituo vilivyopo vinasoma vitu vifuatavyo:
- mabaki ya milipuko ya supernova;
- vituo vya galaksi;
- nyota za nutroni;
- mashimo meusi;
- migongano ya vitu vikubwa (galaksi, vikundi vya galaksi).
Cha kushangaza, kulingana na miradi mbalimbali, upatikanaji wa vituo hivi hutolewa kwa wanafunzi na hata watoto wa shule. Wanasoma X-rays kutoka nafasi ya kina: diffraction, kuingiliwa, wigo huwa mada ya maslahi yao. Na baadhi ya watumiaji wachanga sana wa vituo hivi vya uchunguzi wa anga wanafanya uvumbuzi. Msomaji makini anaweza, bila shaka, kupinga kwamba ana muda tu wa kutazama picha za ubora wa juu na kutambua maelezo mafupi. Na kwa kweli, umuhimu wa uvumbuzi, kama sheria, unaeleweka tu na wanajimu wakubwa. Lakini visa kama hivyo huwahimiza vijana kujitolea maisha yao kwa uchunguzi wa anga. Na lengo hili linafaa kufuatwa.
Hivyo, mafanikio ya Wilhelm Conrad Roentgen yalifungua ufikiaji wa maarifa ya nyota na uwezo wa kushinda sayari nyingine.
