Кристалдардың ішкі структурасын рентген сәулесі арқылы зерттеу

Кристалдардың ішкі структурасын рентген
сәулесі арқылы зерттеу.
1895 жылы неміс ғалымы В. Рентген ерекше бір қасиеті бар
сәуле табады. Ол сәуле кейін сол кісінің атымен рентген сәулесі
деп аталады. Рентген сәулесінің өзгешелігі оның өткірлігі, яғни
ол жай жарық сәулесі етпейтін заттан өтіп кетеді. Мысалы, жай
жарық сәулесі ағаштан өтпейді, сондықтан жарық түскен ағаштың көлеңкесі, болады, ал ағашқа түскен рентген сәулесі, онан
өтіп кетеді, оның көлеңкесі болмайды.
Рентген сәулесінің осындай өткірлік қасиетін дәрігерлер
адамның ішкі сарайын зерттеуге қолданады. Мысалы, сынған
сүйектін, суретін рентген сәулесімен түсіріп алады, өйткені рентген сәулесі еттен жақсы өткенімен, сүйектен өте нашар өтеді.
Сол сияқты рентген сәулесі кристалдардың ішкі атомдық структурасын зерттеуге де қолданылады.
Рентген сәулесінің өзгешелік қасиетін түсіну үшін ең алдымен жалпы сәуле атаулының жаратылысын еске түсірейік.
Жарық сәулесінің электромагниттік толқын түрінде тарайтындығы бізге физикадан белгілі. Барлық сәуле атаулының таралу қасиеті сол электромагниттік қасиетке байланысты. Яғни
атомдардан, молекулалардан электромагниттік толқын шығады, сол толқынның жан-жаққа түзу сызық бойымен тарауы сәуле деп аталады.
Сәуленің түстері, оның көріну-керінбеуі, әткірлігі тағы басқа
қасиеті электромагниттік толқынның ұзындығына байланысты.
Толқынның ұзындығы оның көршілес екі «дөңес» арасының
кашықтығымен өлшенеді. Сәуле толқындарының ұзындығы өте кішкентай шама. Оны өлшеу үшін өлшем бірлігін сайлап алу керек.
Миллиметрдің мыңнан бір бөлімі (1/1000 mm) микрон (қысқаша μ), микронның мыңнан бір бөлімі (1/1 000 000 mm), яғни
миллиметрдің миллионнан бір бөлімі миллимикрон (mμ),
ал миллимикронның оннан бір бөлімі (1/ 10 000 000) ангстрем
(А) деп аталады. Сәуле толқындарының ұзындығы көбінесе осы
миллимикрон немесе ангстрем бірлігімен өлшенеді.
Көзге көрінетін жарық сәуле толқынының ұзындығы
400—760 (mμ), оның ең ұзыны
қызыл түсті сәуле толқынының
ұзындығы 760 (mμ), ең қысқасы — күлгін түсті сәуле толқынының ұзындығы 400 (mμ) болады.
Сәуле толқынының ұзындығы 760 (mμ)-нан ұзын, 400(mμ)-нан
қысқа болса, ол жай көзге көрінбейді. Рентген сәулесі толқының ұзындығы ең көп болғанда 10 (mμ)нан аспайды, көбінесе
0,01 — 1 (mμ) немесе 0,1 —10 А келеді. Демек, рентген сәулесі көзге
көрінетін жарық сәулесінен жүздеген, тіпті мыңдаған есе қысқа . Сәуле толқыны неғұрлым қысқа болса, ол соғұрлым өткір
болады. Рентген сәулесінің ерекше өткірлік қасиеті осында.
Енді кристалдардың ішкі атомдық структурасын рентген сәулесімен өлшеудің әдістеріне келейік.
Сәуле толқындары бір-біріпе сәйкес бағыттас кслсс олар күшейеді, теріс шалыс бағыттас
болса олар әлсірейді. 
Мысалы 1, а-суретте а және в әріптерімен екі толқын белгіленген.
Онық алдыңғысында екі толқынның иіні бір жақта, бұлар
сәйкес толқындар. Екі сәйкес
толқын қосылса, күшейген
(биік) с толқынына айналды.
1, б-суретте а және в әріптерімен белгіленген екі толқынның
иін бағыты бір-біріне шалыс,
сондықтан олар бір-бірін әлсірету нәтижесінде әлсіз (аласа)
с толқынын тудырады. Егер a
мен в толқындары бір-біріне
қарама-қарсы шалыс болса
және биіктіктері бірдей болса, онда олар бір-бірін өшіріп, толқын жоғалар еді.
Толқындардың осындай бір-біріне әсер етіп күшеюін немесе
әлсіреуін сәуленің интерференциясы деп атайды. Кристалдардың ішкі структурасын рентген сәулесі арқылы зерттеу
осы интерференция әсеріне сүйенеді.
Кристалға рентген сәулесін түсіргенде оны құраушы бөлшектер (атомдар, иондар) тербеліп, сәуле шығаратын болады. Атомдар мен иондардан шыққан сәуленің толқын ұзындығы оларды
тербелткен рентген сәулесінің толқын ұзындығымен бірдей болады.
Кристалдардың ішкі структурасы решеткалы болатынын, яғни оны құраушы атом немесе иондардың жарыса қабаттасып
жататынын көрдік. Рентген сәулесі түскен кезде ол қабаттардағы атомдардан (иондардан) сәуле шығады, сөйтіп
кристалдың решетка қабаттарының өзі бейне бір сәуле көздеріне айналады. Бүл әлсіз
сәулелер бір-біріне сай келгенде кристалдан интерференция әсерінен күшейіп шығады.
Толқындардың сәйкес келіп,
сәулелердің күшеюі үшін
кристалл решеткасының екі
қабаты арасындағы сәулелердің жүріс жолының айырмасы
бірдей болу керек. 
Мұны түсіну үшін 2-Суретті қарастырайық.
Мұнда решетка қабаттары горизонталь сызықпен көрсетілген. Олардың ара қашықтығы d әрпімен белгіленген. Бұл қабаттарға түскен рентген сәулелері араб цифрларымен көрсетілген.
Түскен сәуле мен қабаттар арасындағы бұрыш θ әрпімен белгілепген. Бұл бұрышты сәуленің сырғанау бұрышы дейді.
Негізгі үш керекті -шаманы, яғни толқын ұзындығы (λ) мен
сырғанау бұрышын (θ) решетка қабаттары арасының қашықтығына (d) байланыстыратын формуланы табайық .
ADC үш бұрышынан: 

Екі қабат арасындағы сәуленін, жүріс жолынын, айырмасы
бүтін толқындар ұзындығымен бірдей болса ғана сәулелердің
қосылып күшейетінін білеміз. Олай болса, сәуленің күшеюі үшін
1 мен 2 сәулелері арасындағы жүріс жолының айырмасы
Δ=АС-ВС = nλ
болу керек.
Мұнда n бүтін сан (1, 2, 3 ...). Демек,
nλ = 2d sin Ө. (2)
Осы формуланы тапқан орыс ғалымы Вульф пен ағылшын
ғалымы Брэгг. Сондықтан ол Вульф-Брэгг формуласы аталады.
Сырғанау бұрышы Ө тәжірибеден анықталатын шама. Егер толқын ұзындығы λ белгілі болса, қабаттардың d ара қашықтығын,
ал d белгілі болса, толқын ұзындығын табуға болады.
Кристалдардың ішкі структурасын рентген сәулесі арқылы өлшеу әдісі осьіған негізделген.Кристаллография, минералогия, петрография. Бұл кітап Абай атындағы Қазақтың мемлекеттік педагогты институтының, география факультетінде оқылған лекциялардың негізінде жазылды, 1990. ISBN 2—9—3 254—69

Дереккөздер

Санат:Физика
Санат:Кристология