इस लेख में एक्स-रे विवर्तन जैसी चीज़ का विवरण है। इस घटना के भौतिक आधार और इसके अनुप्रयोगों को यहां समझाया गया है।
नई सामग्री बनाने की तकनीक
नवाचार, नैनो तकनीक आधुनिक दुनिया का चलन है। समाचार नई क्रांतिकारी सामग्री की रिपोर्टों से भरा है। लेकिन कम ही लोग सोचते हैं कि वैज्ञानिकों को मौजूदा प्रौद्योगिकियों में कम से कम एक छोटा सा सुधार करने के लिए एक विशाल शोध तंत्र की क्या आवश्यकता है। लोगों को ऐसा करने में मदद करने वाली मूलभूत घटनाओं में से एक एक्स-रे विवर्तन है।
विद्युत चुम्बकीय विकिरण
सबसे पहले आपको यह समझाने की जरूरत है कि विद्युतचुंबकीय विकिरण क्या है। कोई भी गतिमान आवेशित पिंड अपने चारों ओर एक विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। ये क्षेत्र चारों ओर हर चीज में व्याप्त हैं, यहां तक कि गहरे अंतरिक्ष का निर्वात भी इनसे मुक्त नहीं है। यदि ऐसे क्षेत्र में आवधिक गड़बड़ी होती है जो अंतरिक्ष में फैल सकती है, तो उन्हें विद्युत चुम्बकीय विकिरण कहा जाता है। इसका वर्णन करने के लिए, तरंग दैर्ध्य, आवृत्ति और इसकी ऊर्जा जैसी अवधारणाओं का उपयोग किया जाता है। ऊर्जा क्या है सहज ज्ञान युक्त है, और तरंग दैर्ध्य के बीच की दूरी हैसमान चरण (उदाहरण के लिए, दो आसन्न मैक्सिमा के बीच)। तरंग दैर्ध्य (और, तदनुसार, आवृत्ति) जितना अधिक होगा, उसकी ऊर्जा उतनी ही कम होगी। याद रखें कि एक्स-रे विवर्तन का संक्षिप्त और संक्षिप्त रूप से वर्णन करने के लिए ये अवधारणाएँ आवश्यक हैं।
विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम
सभी प्रकार की विद्युत चुम्बकीय किरणें एक विशेष पैमाने पर फिट होती हैं। तरंग दैर्ध्य के आधार पर, वे भेद करते हैं (सबसे लंबे से सबसे छोटे तक):
- रेडियो तरंगें;
- टेराहर्ट्ज तरंगें;
- इन्फ्रारेड तरंगें;
- दृश्यमान तरंगें;
- पराबैंगनी तरंगें;
- एक्स-रे तरंगें;
- गामा विकिरण।
इस प्रकार, जिस विकिरण में हम रुचि रखते हैं, उसकी तरंग दैर्ध्य बहुत कम होती है और उच्चतम ऊर्जाएँ होती हैं (यही कारण है कि इसे कभी-कभी कठोर कहा जाता है)। इसलिए, हम एक्स-रे विवर्तन क्या है, इसका वर्णन करने के करीब पहुंच रहे हैं।
एक्स-रे की उत्पत्ति
विकिरण ऊर्जा जितनी अधिक होगी, उसे कृत्रिम रूप से प्राप्त करना उतना ही कठिन होगा। आग लगने के बाद, एक व्यक्ति को बहुत अधिक अवरक्त विकिरण प्राप्त होता है, क्योंकि यह वह है जो गर्मी को स्थानांतरित करता है। लेकिन स्थानिक संरचनाओं द्वारा एक्स-रे का विवर्तन होने के लिए, बहुत प्रयास करने होंगे। तो, इस प्रकार का विद्युत चुम्बकीय विकिरण तब निकलता है जब एक परमाणु के खोल से एक इलेक्ट्रॉन बाहर निकलता है, जो नाभिक के करीब होता है। ऊपर स्थित इलेक्ट्रॉन परिणामी छिद्र, उनके संक्रमणों को भरते हैं और एक्स-रे फोटॉन देते हैं। इसके अलावा, द्रव्यमान के साथ आवेशित कणों के तेज मंदी के दौरान (उदाहरण के लिए,इलेक्ट्रॉनों), इन उच्च-ऊर्जा पुंजों का उत्पादन होता है। इस प्रकार, क्रिस्टल जालक पर एक्स-रे के विवर्तन के साथ ऊर्जा की काफी बड़ी मात्रा का व्यय होता है।
औद्योगिक पैमाने पर यह विकिरण इस प्रकार प्राप्त होता है:
- कैथोड एक उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन का उत्सर्जन करता है।
- इलेक्ट्रॉन एनोड के पदार्थ से टकराता है।
- इलेक्ट्रॉन तेजी से कम होता है (एक्स-रे उत्सर्जित करते समय)।
- एक अन्य मामले में, डीसेलेरेटिंग कण एनोड सामग्री से परमाणु की निचली कक्षा से एक इलेक्ट्रॉन को बाहर निकालता है, जो एक्स-रे भी उत्पन्न करता है।
यह भी समझना आवश्यक है कि, किसी भी अन्य विद्युत चुम्बकीय विकिरण की तरह, एक्स-रे का अपना स्पेक्ट्रम होता है। यह विकिरण स्वयं काफी व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। हर कोई जानता है कि एक्स-रे की मदद से टूटी हुई हड्डी या फेफड़ों में द्रव्यमान की तलाश की जाती है।
एक क्रिस्टलीय पदार्थ की संरचना
अब हम करीब आ गए हैं कि एक्स-रे विवर्तन विधि क्या है। ऐसा करने के लिए, यह समझाना आवश्यक है कि एक ठोस शरीर की व्यवस्था कैसे की जाती है। विज्ञान में किसी ठोस पिंड को क्रिस्टलीय अवस्था में कोई भी पदार्थ कहा जाता है। लकड़ी, मिट्टी या कांच ठोस होते हैं, लेकिन उनमें मुख्य चीज का अभाव होता है: एक आवधिक संरचना। लेकिन क्रिस्टल में यह अद्भुत गुण होता है। इस घटना के नाम में ही इसका सार निहित है। पहले आपको यह समझने की आवश्यकता है कि क्रिस्टल में परमाणु दृढ़ता से स्थिर होते हैं। उनके बीच के बंधनों में कुछ हद तक लोच होती है, लेकिन वे परमाणुओं के अंदर घूमने के लिए बहुत मजबूत होते हैं।झंझरी। इस तरह के एपिसोड संभव हैं, लेकिन बहुत मजबूत बाहरी प्रभाव के साथ। उदाहरण के लिए, यदि एक धातु क्रिस्टल मुड़ा हुआ है, तो इसमें विभिन्न प्रकार के बिंदु दोष बनते हैं: कुछ स्थानों पर, परमाणु अपना स्थान छोड़ देता है, एक रिक्ति बनाता है, दूसरों में, यह गलत स्थिति में चला जाता है, जिससे एक अंतरालीय दोष बनता है। मोड़ के स्थान पर, क्रिस्टल अपनी पतली क्रिस्टलीय संरचना खो देता है, बहुत दोषपूर्ण, ढीला हो जाता है। इसलिए, बेहतर है कि एक बार मुड़ी हुई पेपर क्लिप का उपयोग न करें, क्योंकि धातु ने अपने गुणों को खो दिया है।
यदि परमाणु कठोर रूप से स्थिर हो जाते हैं, तो उन्हें तरल पदार्थों की तरह एक-दूसरे के सापेक्ष यादृच्छिक रूप से व्यवस्थित नहीं किया जा सकता है। उन्हें खुद को इस तरह से व्यवस्थित करना चाहिए कि उनकी बातचीत की ऊर्जा को कम से कम किया जा सके। इस प्रकार, परमाणु एक जाली में पंक्तिबद्ध होते हैं। प्रत्येक जाली में अंतरिक्ष में एक विशेष तरीके से व्यवस्थित परमाणुओं का एक न्यूनतम सेट होता है - यह क्रिस्टल की प्राथमिक कोशिका होती है। अगर हम इसे पूरी तरह से प्रसारित करते हैं, यानी किनारों को एक दूसरे के साथ जोड़ते हैं, किसी भी दिशा में स्थानांतरित करते हैं, तो हमें पूरा क्रिस्टल मिल जाएगा। हालांकि, यह याद रखने योग्य है कि यह एक मॉडल है। किसी भी वास्तविक क्रिस्टल में दोष होते हैं, और बिल्कुल सटीक अनुवाद प्राप्त करना लगभग असंभव है। आधुनिक सिलिकॉन मेमोरी सेल आदर्श क्रिस्टल के करीब हैं। हालांकि, उन्हें प्राप्त करने के लिए अविश्वसनीय मात्रा में ऊर्जा और अन्य संसाधनों की आवश्यकता होती है। प्रयोगशाला में, वैज्ञानिक विभिन्न प्रकार की पूर्ण संरचनाएं प्राप्त करते हैं, लेकिन, एक नियम के रूप में, उनके निर्माण की लागत बहुत अधिक है। लेकिन हम मान लेंगे कि सभी क्रिस्टल आदर्श हैं: किसी में भीदिशा, समान परमाणु एक दूसरे से समान दूरी पर स्थित होंगे। इस संरचना को क्रिस्टल जालक कहते हैं।
क्रिस्टल संरचना का अध्ययन
यह इस तथ्य के कारण है कि क्रिस्टल पर एक्स-रे विवर्तन संभव है। क्रिस्टल की आवधिक संरचना उनमें कुछ निश्चित विमान बनाती है, जिसमें अन्य दिशाओं की तुलना में अधिक परमाणु होते हैं। कभी ये तल क्रिस्टल जालक की सममिति द्वारा निर्धारित होते हैं, तो कभी परमाणुओं की पारस्परिक व्यवस्था द्वारा। प्रत्येक विमान को अपना पदनाम सौंपा गया है। विमानों के बीच की दूरी बहुत छोटी है: कई एंगस्ट्रॉम के क्रम में (याद रखें, एक एंगस्ट्रॉम 10-10 मीटर या 0.1 नैनोमीटर है)।
हालांकि, किसी भी वास्तविक क्रिस्टल में एक ही दिशा के कई विमान होते हैं, यहां तक कि बहुत छोटे क्रिस्टल में भी। एक विधि के रूप में एक्स-रे विवर्तन इस तथ्य का फायदा उठाता है: एक ही दिशा के विमानों पर दिशा बदलने वाली सभी तरंगों को आउटपुट पर काफी स्पष्ट संकेत देते हुए सारांशित किया जाता है। तो वैज्ञानिक समझ सकते हैं कि ये विमान क्रिस्टल के अंदर किस दिशा में स्थित हैं, और क्रिस्टल संरचना की आंतरिक संरचना का न्याय करते हैं। हालाँकि, ये आंकड़े अकेले पर्याप्त नहीं हैं। झुकाव के कोण के अलावा, आपको विमानों के बीच की दूरी को भी जानना होगा। इसके बिना, आप संरचना के हजारों विभिन्न मॉडल प्राप्त कर सकते हैं, लेकिन सटीक उत्तर नहीं जानते। विमानों के बीच की दूरी के बारे में वैज्ञानिक कैसे सीखते हैं, इसके बारे में नीचे चर्चा की जाएगी।
विवर्तन घटना
क्रिस्टल की स्थानिक जाली पर एक्स-रे विवर्तन क्या है, इसका भौतिक औचित्य हम पहले ही दे चुके हैं। हालाँकि, हमने अभी तक सार की व्याख्या नहीं की हैविवर्तन घटना। तो, विवर्तन तरंगों (विद्युत चुम्बकीय वाले सहित) द्वारा बाधाओं को गोल करना है। यह घटना रैखिक प्रकाशिकी के नियम का उल्लंघन प्रतीत होती है, लेकिन ऐसा नहीं है। यह उदाहरण के लिए, फोटॉन के हस्तक्षेप और तरंग गुणों से निकटता से संबंधित है। यदि प्रकाश के मार्ग में कोई बाधा है, तो विवर्तन के कारण, फोटॉन कोने के चारों ओर "देख" सकते हैं। प्रकाश की दिशा एक सीधी रेखा से कितनी दूर जाती है यह बाधा के आकार पर निर्भर करता है। बाधा जितनी छोटी होगी, विद्युत चुम्बकीय तरंग की लंबाई उतनी ही कम होनी चाहिए। यही कारण है कि एकल क्रिस्टल पर एक्स-रे विवर्तन ऐसी छोटी तरंगों का उपयोग करके किया जाता है: विमानों के बीच की दूरी बहुत छोटी होती है, ऑप्टिकल फोटॉन बस उनके बीच "क्रॉल" नहीं करेंगे, बल्कि केवल सतह से परावर्तित होंगे।
ऐसी अवधारणा सही है, लेकिन आधुनिक विज्ञान में इसे बहुत संकीर्ण माना जाता है। इसकी परिभाषा का विस्तार करने के लिए, साथ ही सामान्य ज्ञान के लिए, हम तरंग विवर्तन की अभिव्यक्ति के लिए तरीके प्रस्तुत करते हैं।
- लहरों की स्थानिक संरचना को बदलना। उदाहरण के लिए, किसी तरंग बीम के प्रसार कोण का विस्तार, किसी तरंग का विक्षेपण या किसी पसंदीदा दिशा में तरंगों की एक श्रृंखला। यह घटना के इस वर्ग के लिए है कि बाधाओं के चारों ओर झुकने वाली लहर संबंधित है।
- तरंगों का स्पेक्ट्रम में अपघटन।
- लहर ध्रुवीकरण में बदलाव।
- तरंगों की चरण संरचना का परिवर्तन।
विवर्तन की घटना, हस्तक्षेप के साथ, इस तथ्य के लिए जिम्मेदार है कि जब प्रकाश की किरण को उसके पीछे एक संकीर्ण भट्ठा की ओर निर्देशित किया जाता है, तो हम एक नहीं, बल्कि कई देखते हैंप्रकाश मैक्सिमा। स्लॉट के मध्य से अधिकतम जितना दूर होगा, उसका क्रम उतना ही अधिक होगा। इसके अलावा, प्रयोग की सही सेटिंग के साथ, एक साधारण सिलाई सुई (निश्चित रूप से पतली) से छाया को कई धारियों में विभाजित किया जाता है, और प्रकाश अधिकतम सुई के ठीक पीछे देखा जाता है, न कि न्यूनतम।
वुल्फ़-ब्रैग फॉर्मूला
हम पहले ही ऊपर कह चुके हैं कि अंतिम संकेत उन सभी एक्स-रे फोटॉनों का योग है जो क्रिस्टल के अंदर समान झुकाव वाले विमानों से परावर्तित होते हैं। लेकिन एक महत्वपूर्ण संबंध आपको संरचना की सही गणना करने की अनुमति देता है। इसके बिना, एक्स-रे विवर्तन बेकार होगा। वुल्फ-ब्रैग फॉर्मूला इस तरह दिखता है: 2dsinƟ=nλ। यहां d समान झुकाव कोण वाले विमानों के बीच की दूरी है, ग्लैनिंग कोण (ब्रैग कोण) है, या विमान पर आपतन कोण है, n अधिकतम विवर्तन का क्रम है, तरंग दैर्ध्य है। चूंकि यह पहले से ज्ञात है कि डेटा प्राप्त करने के लिए किस एक्स-रे स्पेक्ट्रम का उपयोग किया जाता है और यह विकिरण किस कोण पर गिरता है, यह सूत्र हमें d के मान की गणना करने की अनुमति देता है। हम पहले ही थोड़ा ऊपर कह चुके हैं कि इस जानकारी के बिना किसी पदार्थ की संरचना को सटीक रूप से प्राप्त करना असंभव है।
एक्स-रे विवर्तन का आधुनिक अनुप्रयोग
सवाल उठता है: इस विश्लेषण की आवश्यकता किन मामलों में है, क्या वैज्ञानिकों ने पहले से ही संरचना की दुनिया में सब कुछ नहीं खोजा है, और क्या लोग, मौलिक रूप से नए पदार्थ प्राप्त करते समय, यह नहीं मानते कि किस तरह का परिणाम उनका इंतजार कर रहा है ? चार जवाब हैं।
- हां, हम अपने ग्रह को अच्छी तरह से जान गए हैं। लेकिन हर साल नए खनिज मिलते हैं। कभी-कभी उनकी संरचना सम होती हैअनुमान के बिना एक्स-रे काम नहीं करेगा।
- कई वैज्ञानिक पहले से मौजूद सामग्रियों के गुणों में सुधार करने की कोशिश कर रहे हैं। इन पदार्थों को विभिन्न प्रकार के प्रसंस्करण (दबाव, तापमान, लेजर, आदि) के अधीन किया जाता है। कभी-कभी तत्वों को उनकी संरचना में जोड़ा या हटा दिया जाता है। क्रिस्टल पर एक्स-रे विवर्तन यह समझने में मदद करेगा कि इस मामले में आंतरिक पुनर्व्यवस्था क्या हुई।
- कुछ अनुप्रयोगों के लिए (जैसे, सक्रिय मीडिया, लेजर, मेमोरी कार्ड, निगरानी प्रणाली के ऑप्टिकल तत्व), क्रिस्टल का बहुत सटीक मिलान होना चाहिए। इसलिए, इस पद्धति का उपयोग करके उनकी संरचना की जाँच की जाती है।
- एक्स-रे विवर्तन यह पता लगाने का एकमात्र तरीका है कि मल्टीकंपोनेंट सिस्टम में संश्लेषण के दौरान कितने और कौन से चरण प्राप्त हुए। आधुनिक तकनीक के सिरेमिक तत्व ऐसी प्रणालियों के उदाहरण के रूप में काम कर सकते हैं। अवांछित चरणों की उपस्थिति से गंभीर परिणाम हो सकते हैं।
अंतरिक्ष अन्वेषण
कई लोग पूछते हैं: "हमें पृथ्वी की कक्षा में विशाल वेधशालाओं की आवश्यकता क्यों है, अगर मानवता ने अभी तक गरीबी और युद्ध की समस्याओं का समाधान नहीं किया है तो हमें रोवर की आवश्यकता क्यों है?"
हर किसी के पास अपने-अपने कारण होते हैं, लेकिन यह स्पष्ट है कि मानवता का एक सपना होना चाहिए।
इसलिए, सितारों को देखकर, आज हम विश्वास के साथ कह सकते हैं: हम हर दिन उनके बारे में अधिक से अधिक जानते हैं।
अंतरिक्ष में होने वाली प्रक्रियाओं से एक्स-किरणें हमारे ग्रह की सतह तक नहीं पहुंचती हैं, वे वायुमंडल द्वारा अवशोषित कर ली जाती हैं। लेकिन यह हिस्साविद्युतचुंबकीय स्पेक्ट्रम में उच्च-ऊर्जा परिघटनाओं के बारे में बहुत अधिक डेटा होता है। इसलिए, एक्स-रे का अध्ययन करने वाले उपकरणों को पृथ्वी से कक्षा में ले जाना चाहिए। वर्तमान में मौजूदा स्टेशन निम्नलिखित वस्तुओं का अध्ययन कर रहे हैं:
- सुपरनोवा विस्फोट के अवशेष;
- आकाशगंगाओं के केंद्र;
- न्यूट्रॉन तारे;
- ब्लैक होल;
- विशाल पिंडों (आकाशगंगाओं, आकाशगंगाओं के समूह) की टक्कर।
आश्चर्यजनक रूप से, विभिन्न परियोजनाओं के अनुसार, छात्रों और यहां तक कि स्कूली बच्चों को भी इन स्टेशनों तक पहुंच प्रदान की जाती है। वे गहरे अंतरिक्ष से आने वाले एक्स-रे का अध्ययन करते हैं: विवर्तन, हस्तक्षेप, स्पेक्ट्रम उनकी रुचि का विषय बन जाते हैं। और इन अंतरिक्ष वेधशालाओं के कुछ बहुत ही युवा उपयोगकर्ता खोज कर रहे हैं। एक सावधानीपूर्वक पाठक, निश्चित रूप से, इस बात पर आपत्ति कर सकता है कि उनके पास उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली तस्वीरों को देखने और सूक्ष्म विवरणों को नोटिस करने का समय है। और निश्चित रूप से, खोजों का महत्व, एक नियम के रूप में, केवल गंभीर खगोलविदों द्वारा ही समझा जाता है। लेकिन ऐसे मामले युवाओं को अंतरिक्ष अन्वेषण के लिए अपना जीवन समर्पित करने के लिए प्रेरित करते हैं। और यह लक्ष्य पीछा करने लायक है।
इस प्रकार, विल्हेम कॉनराड रोएंटजेन की उपलब्धियों ने तारकीय ज्ञान और अन्य ग्रहों को जीतने की क्षमता तक पहुंच को खोल दिया।
