5. Дифракция рентгеновских лучей

Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны с длиной волны   10^8 – 10^10 м.

Если кристаллическое тело рассматривать как совокупность параллельных атомных плоскостей, находящихся на расстоянии d 10^10 м друг от друга, то для рентгеновских лучей его можно рассматривать естественной трехмерной дифракционной решеткой. Процесс дифракции рентгеновского излучения представляется как отражение излучения от системы этих плоскостей кристаллической решетки. Дифракционные максимумы возникают в направлениях, в которых вторичные (рассеянные атомами) волны распространяются с одинаковыми фазами (рис. 9).

Рис. 9

Дифракционные максимумы удовлетворяют условиям Лауэ:

a(cos – cos₀) = h,

b(cos – cos₀) = k, (5)

c(cos – cos₀) = ,

где а, b, c – периоды кристаллической решетки по трем осям; ₀, ₀, ₀ – углы, образованные падающими лучами; , ,  – углы, между рассеянными лучами и осями кристалла; h, k, – (индексы Миллера).

Вторичные когерентные волны, отразившись от различных атомных слоев интерферируют между собой. Дифракционный максимум удовлетворяет условию 2dsin =  m, (6)

где  – угол скольжения; d – период элементарной кристаллической решетки кристалла; m – порядок дифракционного максимума.

Дифракция рентгеновских лучей наблюдается в кристаллах, поликристаллах, аморфных телах, жидкостях и газах. Зависимость величины и пространственного распределения интенсивности рассеянного излучения от структуры и других физических характеристик образца легла в основу рентгено-структурного анализа и рентгенографии материалов.

6. Основы голографии

В 1948 г. английский физик Габор предложил метод получения объемных изображений различных предметов, получивший название голографии, заключающийся в записи, воспроизведении и преобразовании волновых полей. В этом методе учитываются при записи голограммы не только амплитуды, но и фазы рассеянных предметом интерферируемых волн.

В первых голограммах изображение было черно-белое.

Голография происходит от греческих слов «holos» – весь, полный и «grapho» – пишу, рисую. Используя методы голографии, можно записывать и воспроизводить волновые поля различной физической природы, в том числе электромагнитные (видимого, ИК–, радио–), акустические, электронные и пр.

Голограмма – запись на чувствительном материале интерференционной картины, возникающей в результате взаимодействия волнового поля с опорной волной.

Современная цветная и объемная голограмма отражает почти все характеристики волновых полей: амплитуду, фазу, спектральный состав (длину волны), состояние поляризации, изменение волновых полей во времени, а также свойства волновых полей и сред, с которыми эти поля взаимодействуют. Общая схема записи голограммы приведена на рис. 10. Волна V₀, отраженная предметом П, складывается с опорной волной V_s от источника лазерного излучения. Опорная волна должна иметь простую форму (волновой фронт плоский или сферический) и быть когерентной по отношению к предметной волне.

Рис. 10

В результате наложения волн V₀ и V_s возникает пространственная интерференционная картина (стоячая волна), представляющая собой систему поверхностей пучностей, на которых интенсивность волнового поля максимальна с чередующимися узловыми поверхностями, где интенсивность становится минимальной (на рис. 10 – волнистые пунктирные линии). Интерференционная картина записывается в прозрачной светочувствительной среде объемом V. После экспозиции и химической обработки голограммы в толще светочувствительного материала формируется фотографическое изображение, распределение плотности которого моделирует распределение интенсивности в стоячей волне. Запись и воспроизведение волнового поля с помощью голограммы можно объяснить следующим образом: при записи голограммы поверхности пучностей интерференционной картины d₁, d₂, d₃, ... возникают именно там, где фазы предметной и опорной волн совпадают. В точках пространства, принадлежащим этим поверхностям, волны V₀ и V_S отличаются только направлением распространения. После проявления на месте поверхностей пучностей образуются своеобразные металлические или диэлектрические кривые зеркала сложной формы (рис. 10). Когда на голограмму падает волна V_S, эти зеркала изменяют направление восстановленной волны именно в тех точках, где ее фазы совпадают с фазами предметной волны V₀.

После этого волны V₀ и V_S не отличаются и по направлению, т. е. волна V_S полностью преобразуется в V₀. Наблюдатель, регистрируя восстановленную голограммой волну , не может отличить ее от истинной волныV₀, отраженной предметом, и соответственно видит изображение этого предмета, неотличимое от самого предмета (рис. 11).

Рис. 11

Восстановленное голографическое изображение объемно, при изменении точки наблюдения изображение предмета можно увидеть с разных сторон даже то, что находится за ним.

В 1962 г. русский ученый Ю.Н. Денисюк предложил метод голографической записи в толстослойных средах, которые способны восстанавливать и длину волн, отраженных от объекта.

Голограммы стали цветными. В настоящее время для получения голограмм используют поляризацию света. Что позволяет рассматривать объемное изображение, например, молекулярной структуры кристаллов и др.

Свойства голограмм весьма разнообразны. Например, они способны формировать обращенную волну, наблюдать спектральную избирательность (селективность) трехмерных голограмм, проявляют способность восстанавливать голографическое изображение и т. д. С помощью методов голографии можно получать голограммы: двумерные, движущихся тел, поляризационные, эхо–голограммы, объемные и т. д. Рассмотрим формирование эхо-голограммы.

Голограммы, которые объединяют свойства голографии и фотонного «эха», называют эхо–голограммами.

Рис. 12

Если в начальный момент времени t = 0 на резонансную среду направить импульс предметной волны V₀, то часть атомов среды перейдет из основного состояния с энергией W₁ в возбужденное состояние W₂ (рис. 12). За время поперечной релаксации, в состоянии W₂ фаза колебаний атомов остается такой же, как и фаза предметной волны при t = 0. В момент времени t =  опорная волна излучается в виде импульса I_R. Этот импульс обращает на 180⁰ фазы колебаний всех атомов среды, после чего колебания начинают излучаться в обратном направлении. По истечении времени t = 2 cреда излучает импульс «эха» I_e.

Волновой фронт импульса совпадает с фронтом предметной волны либо обращен. В случае эхо–голограммы пространственная память объединена с временной памятью, что позволяет воспроизводить процессы, связанные с изменениями во времени и пространстве.