Занятие 1
1. Сведения из истории открытия
1895 Г. Ознаменовался открытием, значение которого трудно переоценить и сегодня. Немецкий физик в. К. Рентген при работе с катодной трубкой обнаружил проникающее излучение от тех участков трубки, где
катодные лучи встречаются с ее стеклянной стенкой. В знак признания научных заслуг первооткрывателя1 это излучение называется рентгеновскими лучами, или, как назвал эти лучи сам Рентген, Х-лучами (X-rays). «Ни одна область исследования не дала больше для наших знаний о строении атомов, чем рентгеновские лучи», – сказал А. Г. Комптон.
Попытки получить
дифракцию рентгеновского излучения на
оптических дифракционных решетках,
получаемых механическим способом и
имеющих период
,
,
мм
не увенчались успехом. В 1912 г. впервые
экспериментально наблюдалась дифракция
рентгеновского излучения на кристаллической
решетке. Период такой природной решетки
.
Блестящие эксперименты М. Лауэ и его сотрудников показали возможность дифракции рентгеновского излучения и явились началом новых методов изучения строения вещества: рентгеновской спектроскопии, дефектоскопии и рентгеноструктурного анализа. Развились новые научные направления – кристаллофизика и кристаллохимия, устанавливающие закономерности и связи между химическим составом, физическими свойствами и атомным строением вещества. Опыт Лауэ явился отправной точкой для двух разделов физики:
1 – измерение длин волн Х-лучей при помощи известных кристаллов;
2 – определение структуры кристаллов с помощью Х лучей известной длины волны
В 1913 году Кулиджем сконструирована рентгеновская трубка, принципиальное устройство которой реализуется в современных трубках. Это тщательно откаченный баллон, в котором находятся два электрода. Катод – вольфрамовая нить, питаемая током невысокого напряжения. Регулируя ток накала, меняют количество электронов, следовательно, интенсивность излучения, не изменяя ускоряющее напряжение между катодом и анодом.
Следующие 30 лет были годами развития теоретической основы и экспериментальных методов структурного анализа.
В настоящее время в структурном анализе используется не только дифракция рентгеновских лучей (рентгенография), но и дифракция электронов (электронография), нейтронов (нейтронография), в некоторых случаях используется синхротронное излучение. Наибольшее применение и распространение в научной и в производственной сферах имеют рентгенографические методы.
2. Природа и получение рентгеновского излучения
Рентгеновские
лучи – это поперечные электромагнитные
колебания в диапазоне длин волн
10-2–102
(1
= 1 Ангстрем = 10-10
м), соответствующими частотами колебаний
Гц и энергией кванта излучения
Эв. На шкале электромагнитных волн
рентгеновские лучи находятся
между ультрафиолетовым излучением и
гамма-излучением (рис. 3).
Рис. 3. Шкала электромагнитных волн
В
рентгеноструктурном анализе используются
лучи с длинами волн в интервале 0,5÷2,5
(
).
Известно, что при экспериментах лучистая
энергия проявляется в одном из двух
видов, взаимодополняющих друг друга:
волновом и корпускулярном. Поэтому
иногда выгодно характеризовать Х-лучи
длиной волны, а иногда удобнее представить
пучок лучей как совокупность фотонов,
распространяющихся со скоростью света
и обладающих энергией
(
).
Свойства Х-лучей
Оптика рентгеновских лучей определяется двумя факторами: малой длиной волны и большой энергией фотона. Длина волны соизмерима с размерами атомов и межатомными расстояниями в веществе, находящемся в конденсированном состоянии. Энергия фотонов сравнима с энергией связи электронов глубоких оболочек атома. (Для сравнения - световые фотоны обладают энергией по порядку величины сравнимой с внешними электронами (валентными)).
Характерной особенностью Х-лучей является то, что в любой среде они распространяются со скоростью близкой к скорости света, независимо от однородности среды. Относительная разница не превышает 0.01%. Поэтому при преломлении Х - лучи практически не отклоняются.
Преломление
Показатель
преломления Х – лучей можно рассчитать
в соответствие с электромагнитной
теорией. При распространении в материальной
среде электромагнитная волна может
столкнуться (провзаимодействовать) с
электроном. Он при этом возбуждается и
рассеивает волну той же частоты, что и
падающая. Рассеянная и падающая волны
интерферируют. Результирующая волна
распространяется в среде с фазовой
скоростью, равной не «
»,
а «
»,
где
- показатель преломления среды. При
приближении к очень высоким частотам,
соответствующим Х-лучам, показатель
преломления стремится к 1 со стороны
меньших значений. Теоретическая формула
показателя преломления для чистого
вещества имеет вид:
, (1)
где
и
- заряд и масса электрона;
-
число Авогадро;
- число электронов на одну молекулу; М
– масса молекулы;
- плотность вещества;
- длина волны. Расчеты показывают, что
. (2)
Для такого плотного
вещества как платина (
)
и
порядок величины
близок к
,
чаще
.
Поэтому можно считать, что Х
– лучи распространяются практически
по прямой линии всегда, что делает
невозможным создание линзы для Х –
лучей. В то же время это делает возможным
существование зеркала для Х – лучей.
Допустим пучок Х – лучей распространяясь
в воздухе, встречает поверхность с
<1.
Если угол скольжения
достаточно мал, то будет наблюдаться
явление полного отражения. Величина
определяется соотношением
.
(3)
Из условий (1), (2) и близости к 1 следует, что
(4)
Для
обычных значений
и
угол
.
В рентгеноструктурном анализе эффект
полного отражения используется для
формирования узких параллельных пучков
Х – лучей. Это
реализовано в конструкции коллиматоров
и щелей, используемых в рентгеновских
камерах и дифрактометрах (щели Соллера,
поликапиллярная оптика).
Поскольку ~ , зеркала отсекают из отраженного пучка излучение с короткими длинами волн, для которых меньше значения (4).
Поляризация Х – лучей
Как и видимый свет Х – лучи могут быть линейно поляризованы частично или полностью. Еще в 1935 году Барклом была экспериментально доказана возможность полного гашения Х – лучей, пропущенных через скрещивающиеся поляризаторы. Но, в отличие от оптической поляризации, при прохождении через любое вещество плоскость поляризации Х – лучей не вращается