Warto przeczytać

Dyfrakcja w ogólności oznacza ugięcie, czyli zmianę kierunku rozchodzenia się fali. W bardziej szczegółowej definicji, dyfrakcja to proces ugięcia fali na przeszkodzie. Interferencja ma miejsce, gdy nakładają się na siebie dwie lub więcej fal. Może wtedy dochodzić do ich wzajemnego wzmocnienia lub wygaszenia, jeśli grzbiet jednej fali napotka odpowiednio grzbiet lub dolinę drugiej fali. Zjawiska dyfrakcji i interferencji zachodzą dla wszystkich fal – niezależnie od tego, czy będą to fale na wodzie, czy fale dźwiękowe. Spójrz na Rys. 1. – zdjęcie przedstawia dyfrakcję fal na wodzie przy przechodzeniu ich przez przeszkodę w postaci falochronu. Na Rys. 2. przedstawiamy z kolei krótki film pokazujący interferencję dwóch fal wzbudzonych na wodzie. Zwróć uwagę na obszary w kształcie linii, gdzie woda nie faluje. W tych obszarach biegnące fale wygaszają się wzajemnie. Ten eksperyment interferencyjny możesz przeprowadzić samodzielnie!

R1VUNVJtGXrtc

Rys. 1. Zdjęcie poglądowe przedstawia zatokę oddzieloną od morza kamiennym falochronem. Pośrodku falochronu jest wąska przerwa, przez którą przechodzą fale morskie. Za falochronem fale rozchodzą się w postaci okręgów, których środki leżą w szczelinie falochronu.

W tym e‑materiale chcemy skupić się na zjawisku dyfrakcji i interferencji pewnej konkretnej fali – fali promieniowania rentgenowskiego (zwanego też promieniowaniem X). Promieniowanie rentgenowskie jest częścią widma promieniowania elektromagnetycznegowidmo promieniowania elektromagnetycznegowidma promieniowania elektromagnetycznego, do którego należy również m.in. światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe czy podczerwone. Widmo to przedstawiliśmy na Rys. 3.

R5HNA4hxw8cYX

Rys. 3. Rysunek przedstawia poglądowo widmo fal elektromagnetycznych. Jako pierwsza przedstawiona jest sinusoida o zmiennej odległości między kolejnymi maksimami. Od lewej strony odległości te są duże, dalej w prawo odległości płynnie zmniejszają się i z prawej strony sinusoida jest bardzo zagęszczona. Poniżej sinusoidy ułożono nazwy typów promieniowania, kolejno od lewej są to: radiowe, mikrofale, podczerwień, światło widzialne, ultrafiolet, rentgenowskie, gamma. Pod nazwami umieszczono wartości długości fali w metrach, przypisane do poszczególnych typów promieniowania. Następnie pod nimi przedstawiono schematycznie ciała o skali zbliżonej do długości fali. Kolejno są to budynki, człowiek, motyl, ostrze igły, pierwotniaki, molekuły, atomy i jądra atomowe. Najniżej przedstawiono częstotliwość w hercach. Dla fal radiowych długość fali to 10 do potęgi trzeciej metrów, częstotliwość 10 do potęgi czwartej herców, a ciało o skali zbliżonej do długości fali to budynki. Dla mikrofal długość fali to 10 do potęgi minus drugiej metrów, częstotliwość 10 do potęgi ósmej herców, a ciała o skali zbliżonej do długości fali to człowiek i motyl. Dla podczerwieni długość fali to 10 do potęgi minus piątej metrów, częstotliwość 10 do potęgi dwunastej herców, a ciało o skali zbliżonej do długości fali to ostrze igły. Dla światła widzialnego długość fali to 0,5 razy 10 do potęgi minus szóstej metrów, częstotliwość 10 do potęgi piętnastej herców, a ciało o skali zbliżonej do długości fali to pierwotniaki. Dla ultrafioletu długość fali to 10 do potęgi minus ósmej metrów, częstotliwość 10 do potęgi szesnastej herców, a ciało o skali zbliżonej do długości fali to molekuły. Dla fal rentgenowskich długość fali to 10 do potęgi minus dziesiątej metrów, częstotliwość 10 do potęgi osiemnastej herców, a ciała o skali zbliżonej do długości fali to atomy. Dla promieniowania gamma długość fali to 10 do potęgi minus dwunastej metrów, częstotliwość 10 do potęgi dwudziestej herców, a ciała o skali zbliżonej do długości fali to jądra atomowe. Częstotliwość przedstawiono również w barwnym prostokącie od czerwieni poprzez pomarańczowy, żółty, jaskrawo zielony, niebieski , aż do fioletu rozbarwionego do bieli.

Długości fal światła widzialnego mieszczą się w przedziale ok. 400–700 nm. Fale promieniowania rentgenowskiego mają znacznie mniejszą długość – przyjmuje się, że mieści się ona w zakresie 0,01–10 nm. Wiemy, że aby dyfrakcja na przeszkodzie mogła zajść, wielkość przeszkody musi być zbliżona do długości fali. Aby zaobserwować dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego na siatce dyfrakcyjnej, stała takiej siatki również powinna zawierać się w przedziale ok. 0,01–10 nm. Wycięcie w kawałku materiału tak gęsto rozmieszczonych rys jest niemożliwe technologicznie.

Dyfrakcja i interferencja promieniowania rentgenowskiego jest jednak możliwa do zbadania. Jakiej siatki dyfrakcyjnej tutaj używamy? Spójrz ponownie na Rys. 3. – czy domyślasz się już, jaka to może być siatka?

Dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego możemy obserwować wykorzystując sieć atomów. Mają one wielkość zbliżoną do długości fali promieni X – np. promień atomu żelaza wynosi ok. 0,140 nm. Siatka dyfrakcyjna dla promieniowania widzialnego zawiera dużo rys i szczelin między nimi. Podobnie będzie w przypadku promieniowania X – do uzyskania obrazu dyfrakcyjnego potrzebujemy dużej liczby atomów ułożonych w sieć. Atomy pełnią rolę przeszkód, a przestrzeń między nimi – szczelin. Atomy w ciele stałym wykonują jedynie drgania wokół położenia równowagi, dzięki czemu „układ przeszkód i szczelin” stale zachowuje swoją geometrię.

Najlepszym obiektem do obserwacji dyfrakcji promieni X są zatem ciała stałe. Zawierają one dużą liczbę atomów znajdujących się blisko siebie. Co to znaczy blisko? Tak się składa, że odległości między atomami w ciele stałym wynoszą ok. 0,1–0,5 nm, co umożliwia obserwację dyfrakcji promieni X. Strukturę atomową przykładowego ciała stałego (soli kuchennej – chlorku sodu NaCl) przedstawiliśmy na Rys. 4. Z kolei na Rys. 5. prezentujemy zdjęcie z transmisyjnego mikroskopu elektronowegotransmisyjny mikroskop elektronowytransmisyjnego mikroskopu elektronowego, przedstawiające kryształ krzemu. Transmisyjny mikroskop elektronowy umożliwia uzyskiwanie olbrzymich powiększeń – to, co obserwujesz na zdjęciu, to pojedyncze atomy!

R1Tp2PyF2iUNG

Rys. 4. Ilustracja przedstawia sześcian zbudowany z dużych zielonych kul i małych kulek fioletowych. Każda zielona kula otoczona jest przez cztery rozmieszczone symetrycznie fioletowe kulki. Krawędź sześcianu to trzy zielone kule i cztery fioletowe kulki. Ułożone naprzemiennie zielone kule i fioletowe kulki tworzą warstwy wypełniające cały sześcian.

RVS6raBOGPV7z

Rys. 5. Ilustracja przedstawia strukturę kryształu krzemu pokazaną za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Na ciemnym tle ciasno upakowane białe punkty układają się w rzędy pionowe i poziome.

Zjawiska dyfrakcji i interferencji promieniowania są ze sobą powiązane. Fale promieni X, które uległy dyfrakcji na krysztale mogą potem ze sobą interferować, wzmacniając lub wygaszając się w różnych punktach. Zjawiska te wykorzystujemy w sposób praktyczny, który omówimy w e‑materiale „Jak za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej bada się struktury ciał krystalicznych?”.

Słowniczek