Dyfrakcja i interferencja promieniowania X
To ciekawe
Tajemnicze z nazwy promieniowanie X przestanie być tak zagadkowe, jeśli od razu powiemy, że jest to promieniowanie rentgenowskie – część rodziny promieniowania elektromagnetycznego. Jako fala elektromagnetyczna ulega ono zjawiskom typowym dla fal – np. dyfrakcji i interferencji. Czy jednak dyfrakcję promieni X możemy zaobserwować, używając zwykłej siatki dyfrakcyjnej? Dowiesz się w tym e‑materiale!
Pracując z tym e‑materiałem:
dowiesz się, jaka jest długość fali promieniowania rentgenowskiego,
porównasz długość fali promieniowania rentgenowskiego z innymi falami elektromagnetycznymi,
poznasz warunki, które muszą być spełnione, by zaszła dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego,
zrozumiesz, dlaczego dyfrakcja i interferencja promieni X zachodzi na atomach,
zastosujesz zdobytą wiedzę do oceny, czy na danym obiekcie zachodzi dyfrakcja promieni X,
uzasadnisz, że niemożliwe jest mechaniczne wykonanie siatki dyfrakcyjnej do promieni X,
przekonasz się, że dyfrakcja i interferencja to uniwersalne zjawiska dotyczące wszystkich rodzajów fal.
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!
Film dostępny pod adresem /preview/resource/R2bRRXtIFzaAe
Rys. 2. Animacja zaprezentowana bez udziału lektora, pokazuje dwa źródła fal kolistych ustawione poziomo obok siebie. W każdym źródle pojawiają się na przemian czerwone i niebieskie koła, powiększające się i przechodzące w koliste powierzchnie falowe, rozchodzące się promieniście. W obszarze powyżej i poniżej źródeł fal, gdzie fale z obu źródeł nakładają się na siebie, widoczne są wzmocnienia i wygaszenia fal. Wzmocnienia występują wzdłuż pionowych pasków biegnących od punktu między źródłami do góry i w dół oraz wzdłuż symetrycznych pasków nachylonych do pionu pod jednakowymi kątami z prawej i z lewej strony.
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 elektromagnetycznegowidma promieniowania elektromagnetycznego, do którego należy również m.in. światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe czy podczerwone. Widmo to przedstawiliśmy na Rys. 3.
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 elektronowegotransmisyjnego mikroskopu elektronowego, przedstawiające kryształ krzemu. Transmisyjny mikroskop elektronowy umożliwia uzyskiwanie olbrzymich powiększeń – to, co obserwujesz na zdjęciu, to pojedyncze atomy!
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
(ang.: spectrum) przedstawienie rozkładu danego zjawiska na długości fali, częstotliwości lub energie. Przykładowo: kamerton po uderzeniu emituje dźwięk o ustalonej częstotliwości. Widmo dźwięku kamertonu składa się zatem z jednej linii.
(ang.: electromagnetic radiation spectrum) rozkład prezentujący długości fali, częstotliwości lub energie promieniowania elektromagnetycznego (EM). Promieniowanie EM ma widmo ciągłe, to znaczy, że występują w nim wszystkie długości fali (w przeciwieństwie np. do widma dźwięku kamertonu lub widma emisyjnego atomów).
(ang. transmission electron microscope) rejestruje elektrony przechodzące przez próbkę. Próbką w takim mikroskopie musi być cienka płytka o grubości rzędu setek nanometrów. Przygotowanie takiej próbki jest trudne i znacznie ogranicza zastosowania mikroskopu.