3. 6. Дифракция рентгеновских лучей.@

В 1895 г. немецкий физик В.Рентген обнаружил, что при электрическом разряде в вакуумной трубке возникает невиди­мое для глаз излучение, обладающее высокой проникающей способностью. Излучение вначале было названо Х-лучами, а за­тем получило название рентгеновского. Оно занимает диапазон длин волн от 2∙10^-9 до 6∙10^-12м. Рентгеновские лучи вызывают флуоресценцию некоторых веществ, ионизацию газов, оказы­вают фотохимическое и биологическое воздействие на тела. Для наблюдения дифракции рентгеновских лучей необходима ди­фракционная решетка того же порядка d, что и длина волны. Из­готовить решетку такого малого порядка невозможно, однако можно воспользоваться для этой цели кристаллами, которые со­стоят из упорядоченно расположенных ионов, атомов или моле­кул на расстоянии порядка 10^-10м друг от друга. Такие дифрак­ционные решетки называются пространственными или трех­мерными.

Идея применить монокристалл для изучения дифракции рентгеновских лучей принадлежит немецкому физику М.Лауэ (1912 г.). Развивая его идеи, в 1913 г. русский физик Г.В.Вульф и английский физик У.Л.Брэгг независимо друг от друга пред­ложили простой метод наблюдения и расчета дифракционной картины. Они рассматривали дифракцию рентгеновских лучей, отражающихся от атомов кристаллографических плоскостей. Поскольку рентгеновские лучи обладают высокой проникающей способностью, отраженная их часть составляет ничтожную долю лучей, прошедших в кристалл. Однако при условии ин­терференционного максимума лучей, отраженных от разных плоскостей кристалла, можно добиться их значительного усиле­ния.

Разобьем кри­сталл на ряд парал­лельных плоскостей, про­ходящих через узлы кристаллической решетки и отстоящих друг от друга на рас­стояниеd (рис. 3.8). Пусть на кристалл па­дает плоская монохроматическая волна рентгеновского излуче­ния под углом скольжения θ (угол между направлением падаю­щего луча и кристаллографической плоскостью). Рассмотрим лучи 1’ и 2’, отразившиеся от атомов А и В двух параллельных плоскостей I и II соответственно. Абсолютный показатель пре­ломления любых сред для рентгеновских лучей близок к еди­нице, поэтому отраженные лучи 1’ и 2’ по закону отражения выйдут из кристалла под тем же углом θ к плоскостям I и II. Лучи 1’ и 2’ когерентны и будут интерферировать между собой, подобно лучам, идущим от соседних щелей дифракционной ре­шетки. Для определения разности хода лучей 1’ и 2’ из точки А опустим перпендикуляры на лучи 2 и 2’ (на рис. 3.8 это пунктир­ные линии). Искомая разность хода Δ = 2 dsinθ. Лучи будут уси­ливать друг друга при 2 dsinθ = = mλ, где m = 1,2…. – порядок дифракционного максимума. Данное соотношение называется формулой Вульфа-Брэгга. Если известна длина волны рентгеновских лучей, то по виду дифракционной картины можно определить структуру кристалла. На этом основан метод изучения структуры веще­ства, получивший название рентгеноструктурного анализа. Основоположники рентгеноструктурного анализа У.Г.Брэгг (отец) и У.Л. Брэгг (сын) первыми расшифровали атомные структуры ряда кристаллических веществ, за что были удо­стоены в 1915 г. Нобелевской премии.