Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах¶

Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах — физическое явление, возникающее при прохождении или отражении рентгеновского излучения от кристаллической решётки, обусловленное её периодической структурой и приводящее к интерференционным максимумам в определённых направлениях. Это явление лежит в основе рентгеноструктурного анализа — одного из главных методов определения атомной структуры вещества.

¶Физическая сущность

Рентгеновские лучи имеют длину волны порядка 0,01–10 нм, что сопоставимо с межатомными расстояниями в кристаллах (обычно 0,1–0,3 нм). Кристаллическая решётка действует на рентгеновское излучение как трёхмерная дифракционная решётка. При облучении кристалла каждый атом становится источником вторичных (рассеянных) сферических волн. Вследствие когерентности излучения эти волны интерферируют, усиливая друг друга только в строго определённых направлениях, где выполняется условие Брэгга — Вульфа:

2d·sinθ = nλ,

где d — межплоскостное расстояние, θ — угол скольжения (угол между падающим лучом и плоскостью), n — целое число (порядок отражения), λ — длина волны.

¶История открытия

В 1912 году немецкий физик Макс фон Лауэ высказал предположение, что кристаллы могут служить естественными дифракционными решётками для рентгеновских лучей. Совместно с Вальтером Фридрихом и Паулем Книппингом он провёл эксперимент по пропусканию рентгеновского пучка через кристалл медного купороса, в результате чего на фотопластинке была зафиксирована закономерная картина из пятен (лауэграмма). За это открытие в 1914 году Лауэ был удостоен Нобелевской премии по физике.

В том же 1912 году английские физики Уильям Генри Брэгг и его сын Уильям Лоуренс Брэгг разработали более простое объяснение явления, рассматривая дифракцию как зеркальное отражение от систем атомных плоскостей. Они вывели уравнение, названное их именем, и в 1915 году также получили Нобелевскую премию. Метод Брэггов позволил впервые точно определить структуру хлорида натрия и других простых кристаллов.

¶Методы регистрации

Существует несколько основных экспериментальных схем наблюдения дифракции:

• Метод Лауэ — кристалл неподвижен, облучается «белым» (полихроматическим) пучком. Каждая система плоскостей отбирает из спектра свою длину волны. Используется для ориентирования кристаллов и изучения симметрии.
• Метод вращения (порошковый метод Дебая — Шеррера) — монохроматическое излучение направляется на поликристаллический образец или вращающийся монокристалл. На плёнке образуются концентрические кольца. Широко применяется для идентификации веществ и фазового анализа.
• Дифрактометрия — современный автоматизированный метод с использованием счётчиков квантов, позволяющий точно измерять интенсивности и углы отражений.

¶Применение

Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах используется в следующих областях:

• Рентгеноструктурный анализ — определение точного расположения атомов в кристалле, длин связей и валентных углов. Метод позволил расшифровать структуру тысяч неорганических и органических соединений, включая сложные белки.
• Рентгеновская порошковая дифрактометрия — качественный и количественный фазовый анализ минералов, сплавов, цементов, лекарственных препаратов.
• Рентгеновская топография — выявление дефектов и дислокаций в совершенных кристаллах, используемых в полупроводниковой промышленности.
• Определение напряжений — измерение остаточных механических напряжений в металлических изделиях по смещению дифракционных линий.

¶Значение для науки

Открытие дифракции рентгеновских лучей в кристаллах окончательно подтвердило волновую природу рентгеновского излучения и дискретное (атомное) строение вещества. Оно дало начало кристаллографии как точной науке и привело к созданию рентгеновской спектроскопии. В 1953 году именно рентгеноструктурный анализ (работы Розалинд Франклин, Мориса Уилкинса, Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика) позволил установить двойную спираль ДНК. Впоследствии метод был распространён на аморфные тела, жидкости и полимеры, а также дополнен дифракцией нейтронов и электронов.

¶Источники

• Китайгородский А. И. «Рентгеноструктурный анализ мелкокристаллических веществ».
• Уманский Я. С. «Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия».
• Джеймс Р. «Оптические принципы дифракции рентгеновских лучей».