Mavzu: Rentgen nurlari va uning tarkibiy tuzilishini о’rganish

Kurs ishining ilmiyligi va ahamiyati: Amalda rentgen nurlaridan rentgenospektroskopiya va rentgenostruktura analizi maqsadlarida foydalanish to'g'risida, ularning modda tuzilishi haqida muhim ma'lumot bera olishi haqida bayon etilgan [2].

1. Rentgen nurlarining kashf etilishi va uning mohiyati

Yanada qisqa to'lqinlar sohasiga ultirabinafsha nurlar tomonidan o'ta borish nihoyatda katta qiyinchiliklarga duch keladi. Biroq spektrning bu sohasini ikkinchi tomondan l895-yilda Rentgen topgan kashfiyotdan foydalanib tadqiq etish mumkin bo'ladi. Ichidan havosi so'rib olingan (masalan, katod zarralarini tadqiq etishda ishlatiladigan trubkada) elektr razryadi yuz berganda uning anodidan shunday nurlar chiqar ekanki, bu nurlar odaldagi yorug'likni o'tkazmaydigan jismlardan (qora qog'oz, karton,yupqa metal qatlamlari va hokazo) darrov o'tar ekan. Shunday ekanligini Rentgen topgan. Bu nurlarni Rentgenning o'zi X-nurlar deb atagan, bizlar ularni Rentgen nurlari deb yuritamiz. Bu nurlarni Rentgen ularning fluoresenseyalanuvchi ekrandan yorug'lik chiqarish qobiliyati tufayli payqagan, fez orada Rentgen bu nurlarning fotografik emulsiyani qoraytira olish qobiliyati va havoni ionlashtirish natijasida elektroskopning zaryadini yo'qotish qobiliyati borligini ham topdi. Shunday qilib, Rentgen nurlarini tadqiq etish uchun fluoresensiyalanuvchi ekrandan ham, fotoplastinkadan ham, elektroskopli ionizatsion kameradan ham foydalanish mumkin. Rentgen nurlari fotoeffektni yuzaga keltirish ham aniqlangan, albatta ular o'zlarining issiqlik tasiriga qarab ham tadqiq etilishi mumkin, biroq rentgen nurlarini issiqlik ta'siriga qarab o'rganish birmuncha qiyin, chunki Rentgen nurlari zaif yutiladi. Ular shu qadar oz yutiladiki, ularni to'liq tutib qolish uchun qiyosan qalin metal qatlamlari kerak bo'ladi, buning ustiga qalin qatlamda issiqlik miqdorining ozgina orttirmasini payqash ham juda qiyin. Shuni qayd qilamizki, rentgen yangi nurlarni birinchi bo'lib topibgina qolmay, o'zining dastlabki ishlarida bu nurlarni har tomonlama tadqiq etdi, ularning juda ko'p muhim xususiyatlarini aniqladi. Nurlar chiqayotgan joy turubkaning elektronlar yig'ilayotgan joyi ekanini ham Rentgenning o'zi topdi va shunga qarab trubkani shunday yasadiki, bunda rentgen nurlari olish va ulardan foydalanish ancha qulay bo'lgan. Elektronlar dastasini bir joyga konsentratsiyalash uchun katod botiq qilib yasaladi va uning ichki sohasiga isitiladigan sim spiral qo'yiladi. Shu yo'l bilan elektronlar dastasi fokuslanadi, katod bilan anod orasida bir necha o'n kilovoltga teng kuchlanish beriladi[3,4].

Anodga kelib uriladigan elektronlar energiyasining ko'p qismi issiqlikka aylanib, uning juda oz ulushigina (0,1 % chamasi) rentgen nurlari tarzida chiqadi, yoki qaytgan elektronlar dastalarining energiyasi tarzida saqlanadi, shuning uchun quvvatli trubkalarda anoq qattiq qizib, erib ketishi ham mumkin. Anodning qiya qilib kesilganligi rentgen nurlarning trubkaning shisha balloni orqali tashqariga chiqib ketishga imkon beradi.

Yuqorida aytib o'tilganidek, rentgen nurlarining eng ajoyib xususiyati ularning yorug'lik o'ta olmaydigan moddalar orqali darrov o'ta olishidadir. Rentgenning o'zi ham bu nurlarning bu xususiyatini keng ko'lamda tadqiq etgan, buning uchun u bu nurlarning tekshirilayotgan modda qatlamida keying yo'liga qo'yilgan fluoresensiyalanuvchi ekranning yorug'lik chiqarishini kuzatgan. Biroq moddada rentgen nurlarining yutilishi bu moddaning oddiy nurlarni o'tkazishga bog'liq emas ekanligini Rentgenning o'zi topgan. Masalan qora qog'oz yoki karton Rentgen nurlarini qalinligi o'shanday bo'lgan shishada, ayniqsa qo'rg'oshin tuzlari aralashgan shishadan ko'ra ancha kam yutadi.

Moddaning zichligi qancha katta bo'lsa, uning rentgen nurlarini yutish qobiliyati shuncha kuchli bo'ladi, qo'rg'oshin plastinkalari rentgen nurlari oqimini qalinligi o'shalarnikidek bo'lgan alyuminiy plastinkalarga qaraganda kuchliroq zaiflashtiradi. Yutuvchi moddada og'ir elementlar atomlarining qanday birikma holida bo'lishidan qat’iy nazar qatnashuvchi rentgen nurlarining yutilishi uchun juda muhimdir. Masalan qo'rg'oshinli belilaning yupqa qatlami yoki o'sha tadqiqotlarida Rentgen nihoyatda muhim bo'lgan boshqa bir faktni ham aniqladi. Rentgen bu faktdan biror holda ishlatiladigan nurlarini xarakterlash uchun foydalangan. Rentgen nurlarini ayni bir modda bu nurlarning hosil qilinishi sharoitiga qarab turlicha yutishi mal'um bo'lib qoldi. Ko'p yutiladigan nurlar yumshoq nurlar deb, kam yutiladigan nurlar qattiq nurlar deb ataladi. Shunday qilib, nurlarning modda orqali o'tish qobiliyati ularning qattiqlik darajasini ifodalaydi.

Odatda nurlarning qattiqligi ularning tayinli bir moddada (masalan, alyuminiyda) yutilish qobiliyatiga qarab aniqlanadi. Biroq boshqa moddalarning hammasida ham qattiqroq nurlar kamroq yutiladi (saylab yutilish deb ataladigan ba'zi hodisalar bunda mustasno).

Rentgen nurlari yutilishining yanada tadqiq etilishi ular qattiqligining miqdoriy o'lchovini aniqlashga imlcon berdi. Rentgen nurlarinig yutuvchi moddadan oldingi va undan keyingi intensivligini o'lchab, bu nurlarning yutilish qonunini quyidagi munosabat ko'rinishida aniqlash mumkin. Yuqorida aytib o'tilganidek, rentgen nurlarning intensivligini ularning metallarda yutilishida chiqadigan issiqlik miqdoriga qarab aniqlash, bu yerda - nurlanishning yutilishdan keyingi intensivligi, yutuvchi moddaga tushayotgan nurlanishning intensivligi, d-yutuvchi qatlamning, santimetr hisobidagi qalinligi, x -nurning qatiqligini xarakterlovchi yutilish koeffitsiyenti. Rentgen nurlarining qattiqligi xilma-xil bo'lishi mumkin. Alyuminiyda D ning qiymati 0,0006 dan 6 gacha o'zgaradigan, ya'ni bu qiymat 10 000 marta o'zgaradigan nurlar ishlatiladi[2].

Rentgen nurlari yutilish qobiliyatini va ular qattiqligining barcha baholanishini shu narsa qiyinlashtiradiki, trubkadan chiqadigan turlicha bo'lgan nurlar aralashmasidan iborat. Bu nurlarning yutuvchi modda orqali o'tkazib, biz yumshoqroq nurlarni tutib qolamiz va shu tariqa bir jinsliroq dasta hosil qilamiz. Filtrlashning bu metodi ancha qulay bo'lib, bir jinsli monoxromatik nurlar olishga imkon berolmaydi. Hozirgi vaqtda biz odatdagi to'lqin uzunliklari optikasidagi monoxromatizatsiya usullarida ishlashni bilamiz, bu metodlar qo'llanilganda deyarli monoxromatik rentgen nurlar chiqariladi, keyin bu nurlar difraksiya vositasida yana monoxromatizatsiya qilinadi. Monoxromatikligi jihatidan yorug'lik nurlaridan past bo'lmagan nurlar shunday qilib hosil qilinadi va ularning yutilish koeffitsiyenti mutlaqo tayinli fizik manoga ega bo'ladi. Bunday monoxromatik nurlar uchun yutilish koeffitsiyenti yutuvchi moddaning zichligiga bog'liq bo'ladi va taqriban olganda zichlikka proporsional deb hisoblash mumkin. Aniqroq aytganda, yutilish yutuvchi moddaning qatlam qalinligi birligidagi atomlari soni orqali belgilanadi. Bir atomdan boshqalariga o'tilganda esa yutilish atom og'irlik ortishi bilan ortadi, to'g'rirog'i yutilish atom nomerining kubiga proporsional bo'lgani holda atomning Z nomeri ortishi bilan tez ortadi.

Rentgen nurlarining qattiqligi tushunchasini aniqlagan Rentgenning o'zidayoq qattiqlik rentgen turubkasining rejimiga bog'liq ekanligini ko'rsatdi. Anod bilan katod orasidagi potensiallar farqi qancha katta bo'lsa (bu potensiallar farqi elektronlarni tezlashtiradi), ya'ni anodga yog'iladigan elektronlarning tezligi qancha katta bo’lsa, rentgen nurlari shuncha qattiq bo'ladi.

Shunday qilib, qizitilma katodli ayni bir trubka qattiqligi har qanday bo'lgan rentgen nurlari olishga xizmat qila oladi, nurlar qattiqligi tezlatuvchi maydon bilan aniqlanadi (boshqariluvchi turubkada). Bu turga qarashli trubkalarda potensiallar farqi ortishi bilan nurlarning qattiqligi tez ortadi. Tajribaning ko'rsatishicha, bunday trubkaning nurlarni yutishining o'rtacha koeffitsiyenti anod bilan katod orasidagi V potensiallar farqining kubiga taxminan teskari proporsional, ya'ni

Garchi Rentgen nurlarining dastlabki tadqiqotchilari (Stoks, D.A. Goldgammer va qisman Rentgenning o'zi) Rentgen nurlari anodga kelib uriluvchi tez elektronlarning tormozlanishida paydo bo'ladigan elektromagnitik to'lqinlardir degan g'oyani oldinga surgan bo’lsalarda, rentgen nurlarning bir qator xossalarini uning to'lqin tabiatiga moslashtirish qiyin bo'ladi. Umuman rentgen nurlarning ko'p xossalari juda qiyinlik bilan tadqiq etildi. Rentgen nurlari bir muhitda boshqa muhitga o'tganda qaytish va sinishini kuzatishga ko'p vaqtgacha muyassar bolinmadi. Rentgenning o'zi nurlari sochilishining zaifgina izlarini topa oldi xolos, bu hodisani ularning, korpuskulyar tabiatiga asoslanib ham izohlab berish oson edi, albatta.

Rentgen nurlarini to'lqin tabiatli deydigan gipoteza uchun rentgen nurlarining interferensiyasi va difraksiyasini topish maqsadida Rentgenning о’zi va boshqa bir qator tadqiqotchilar o'tkazgan tajribalarning muvaffaqiyatsiz chiqishi ayniqsa og'ir bo'ldi. Bundan ancha keyin borib (1910-yil yaqinida) Rentgen nurlanishining to'lqin uzunligi ko'zga ko'rinadigan yorug'lik va ultrabinafsha nurlarning to'lqin uzunligidan ancha kichik ekanligi aniqlanadi va shuning uchun rentgen nurlarning interferensiyasini payqashga bag'ishlangan dastlabki tajribalarning muvaffaqiyatsiz chiqishi aniq ekan.

Shuni qayd qilamizki, Rentgenning dastlabki ishlari nashr etilgan vaqtdayoq, ya'ni 1897-yildayoq Stoiks Rentgen nurlari tog'risida hozirgi zamon tasavvurlari sohasida umuman to'g'ri bo'lgan fikrlarni aytdi. Stoksning fikricha, Rentgen nurlari-anodga borib uriluvchi elektronlarning tezligi keskin o'zgarganda qisqa elektromagnitik impulslardir. Harakatlanayotgan zaryadga tezligining bunday o'zgarishini uchib kelayotgan elektrondan iborat elektr tokining zaiflashuvchi deb hisoblash mumkin, elektr toki zaiflashganda harakatdagi elektron bilan bog'liq bo'lgan magnit maydoni zaiflashadi. Magnit maydonining o'zgarishi atrofdagi fazoda o'zgaruvchi elektr maydoni hosil qiladi, elektr maydoni esa o'z navbatida o'zgaruvchan siljish toki hosil qiladi va hokazo. Maksvell tasavvurlariga asosan, elektromagnitik impuls hosil bo'ladi u esa fazoda yorug'lik tezligiga teng tezlik bilan tarqaladi.

Tasavvurlarning uncha aniq bo'lmaganligi va asosan, tajriba ma'lumotlaming yetarli bo'lmaganligi rentgen nurlarining boshqacha talqin etishga olib keldi, ko'p o'tmay bu fikrlarga Rentgenning o'zi ham qo'shiidi.

Rentgen nurlarining tabiati uzil-kesl 1912-yilda aniqlandi, bu paytga kelib M.Laue g'oyasi bo'yicha rentgen nurlarning difraksiya hodisasi shak-shubhasiz amalga oshirildi[3].

2. Rentgenospektroskopiya

O'z vaqtida Laue kashfiyoti rentgen nurlarning korpuskulyar tabiatli emas, balki to'lqin tabiatli ekanligining aniq, isbot sifatida qaralgan edi. Hozir biz bilamizki, difraksion hodisalar korpuskulalarda ham yuz beradi. Bu nurlanishning to'lqin va korpuskulyar tabiatli ekanligi masalasiga biz kevinroq уana qaytamiz.

Difraksion panjaraning o'ziga xos tomoni shundaki, panjaraning davri tayinli va birlamchi dastaning yo'nalishi tayinli bo'lganda malum bir uzunlikdagi to'lqinlar maksimumi kuzatiladi. Shuning uchun biz tekshirayotgan kristallga Rentgenning «oq» yorug'ligi, ya'ni xilma-xil tolqin uzunliklari to'plamiga ekvivalent bo’lgan rentgen impulsi tushsa, u holda kristall tayinli bir to’lqin uzunliklarning ba'zilarinigina ajratadi (ularni monoxromatik qiladi). Aksincha, agar tushayotgan rentgen impulsi monoxromatik nurga yaqin bo'lsa, u holda tushish burchagi, to'lqin uzunligi va panjaraning doimiysi orasidagi munosabat nomaqbul bo'lganda biz maksimumlarni emas, balki faqat bir sochilishni ko'ramiz.

Agar Rentgen nurlarining parallel dastasi kristallga tushayotgan bo'lsa, u holda har bir atom tekisligida difraksiya yuz beradi. Difraksiyalangan rentgen nurlari intensivligining maksimumi to'g'ri qaytish qonunlari bilan aniqlanadigan yo'nalishga mos keladi. Turli tekisliklardan qaytgan to’lqinlarning bir-birini kuchaytirish sharti ravshanki,u quyidagicha yoziladi:

Bu yerda d- qatlamlar masofa, -sirpanish burchagi, - difraksiyalangan nurlanishning to'lqin uzunligi.

Breggning bu formulasi (yoki uni Y.Bulf ham topgan) tushish burchagining qiymati tayinli bo'lganda uzunligi qanday bo'lgan to'lqinlar kristalldan intensiv ravishda qayta olishini ko'rsatadi.

Bu to'lqinlar o'zaro interferensiyalashib, ma'lum yo'nalishlar bo'yicha maksimumlar hosil qiladi, bular esa fotografik emulsiyasida ayrim difraksion dog'lar yuzaga keltiradi. Bu dog'larning vaziyatiga va nisbiy intensivligiga qarab kristall panjarada sochuvchi markazlarning joylashishi va ularning tabiati haqida (atomlar, atom gruppalari yoki ionlar) tasavvur hosil qilish mumkin. Shuning uchun difraksiya hodisasi rentgen nurlarining to'lqin tabiatli ekanining eng muhim va bevosita isboti bo'lgani holda kristall panjaralarni eksperimental ravishta o'rganishning asosi bo'lib qoladi. Laue kashfiyoti tufayli kristallarning strukturasi to'g'risidagi masalani samarali tadqiq etish mumkin bo'lib qoldi. Keyingi vaqtlarda Laue metodi suyuqlik va hatto gazlar molekulalarning tuzilishini tadqiq etishga qo'llaniladigan bo'lib qoldi, bunda molekulaning tarkibiy qismlarida yuz beradigan difraksiya kuzatiladi. Garchi bu holda difraksion manzara uncha aniq bo'lmasa-da, juda muhim natijalar topiladi, tolqinlar hamma yo'nalishlar bo'yicha deyarli bir tekis sochilib, plastinkada faqat umumiy fon hosil qiladi va fotoemulsiya qatlamida qorayish maksimumlari hosil qilmaydi. Agar biz kristall tufayli hosil bo'lgan difraksiyadan rentgen nurlari uchun spektrograf yasashda foydalanmoqchi bo'lsak, u holda fazoviy panjara ta'sirining tilga olingan xususiyatini e'tiborga olish to’g'ri kcladi. Uzunligi har qanday bo'lgan tolqinlar uchun difraksion maksimumlar ornini fazoviy panjara vositasida topishning bir necha usullari bor[4].