Дифракция рентгеновских лучей на пространственной решетке

 

В 1895 г. при изучении излучения электрического разряда в вакуумной трубке при высоком напряжении Рентген открыл излучение, невидимое для глаза и способное проникать через непрозрачные тела.Пропускание рентгеновского излучения через дифракционную решетку не приводило к возникновению их дифракции. Из-за неудачи попыток обнаружить волновые свойства рентгеновского излучения многие ученые, в том числе и сам Рентген, стали думать, что это излучение представляет собой поток частиц.

Неудачи попыток обнаружить дифракцию рентгеновских лучей с помощью дифракционных решеток были связаны с тем, что длина волны рентгеновского излучения была много короче расстояния между штрихами решеток, предназначенных для видимого диапазона электромагнитного излучения. Оказалось, невозможно изготовить решетки со столь малой постоянной. Если это невозможно, то они имелись в природе – это кристаллы, в решетке которых атомы расположены в строгом порядке и расстояние между атомами одного порядка с длиной волны рентгеновского излучения. Однако, в отличие от обычных решеток, решетка кристалла трехмерная. Тем не менее, и на трехмерной решетке оказалось возможным осуществить дифракцию. Первые методы расчета дифракции рентгеновских лучей на пространственной решетке дал немецкий ученый М. Лауэ(1879 – 1960) и ее практически реализовали в 1913 г. Фридрих и Книппинг.

Метод, предложенный Лауэ был довольно сложнымдля анализа (рис.20).

 

Рис.20. Лауэграмма бериллия

 

Простой метод расчета дифракционной картины рентгеновского излучения на монокристалле предложен независимо друг от друга российским ученым Г.В. Вульфом (1863 –1925) и английскими физиками Г. и Л. Брэггами (отец(1862 – 1942) и сын (1890 –1971)).

Атомы в монокристалле можно рассматривать расположенными в параллельных плоскостях, отстоящих друг от друга на расстоянии d (рис.21).

 

Рис.21.

 

Пусть под углом скольжения q (угол между падающим лучом и кристаллографической плоскостью) падает пучок монохроматических рентгеновских лучей 1 и 2. Падающее излучение возбуждает атомы на плоскостях, которые становятся источниками когерентного излучения вторичных волн 1' и 2', интерферирующих друг с другом подобно вторичным волнам от щелей дифракционной решетки. Дифракционные максимумы наблюдаются в таких направлениях, в которых все волны отраженные от атомных плоскостей будут находиться в одинаковой фазе. Эти направления определяются законом Вульфа–Брэггов

,                                   (15)

где  – разность хода между двумя лучами, отраженными от соседних кристаллографических плоскостей.

    К настоящему времени разработаны и другие методы получения дифракции рентгеновских лучей от кристаллов в том числе и от поликристаллических образцов.

    Огромную роль сыграли рентгеновские лучи в изучении строения вещества. Если известна длина волны рентгеновских лучей, то по дифракционной картине от кристалла можно изучить структуру кристалла. На этом основан метод кристаллографического анализа.

    С другой стороны, пользуясь уже изученными кристаллами, можно по дифракционной картине от них установить спектральный состав рентгеновского излучения. На этом основан метод рентгеновской спектроскопии.

Голография

Обычные фотографии регистрируются на фотопластинке путем проектирования на нее изображения предмета с помощью линз (объективов). В 1948 г. английский физик Д.Габор (1900-1979) предложил принципиально новый способ регистрации объемного изображения предмета на фотопластинке основанный на интерференции световых волн. Этот способ регистрирует не только амплитуды волн (как при обычном фотографировании), но и фазы отраженных от предмета световых волн. Такой метод получения изображений Габор назвал голографией. В переводе с английского этот термин означает полную запись изображения. Экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка осуществлена американскими учеными Лейтом и Упатинексом и российским ученым Денисюком.

Для получения голографического снимка необходим источник света высокой когерентности. Поэтому реализация идеи Габора стала возможна только после появления высоко-когерентных источников света – лазеров.

Лазерный пучок делится на две части(рис.22), одна часть направляется на плоское зеркало и, отразившись от него, падает на фотопластинку Ф рис.20а (опорная волна), вторая часть попадает на фотопластинку, отразившись от предмета (предметная волна).

Рис.22

 

Результат наложения отраженных световых пучков 1 и 2 фиксируетсяна фотопластинке и после проявления появляется голограмма – интерференционная картина. В отличие от фотографического снимка голограмма не имеет никакого сходства с предметом, он представляет собой узор из областей разной степени почернения фотопластинки. Восстановление изображения по голограмме показана на рис.22б. Предметный пучок закрывается и голограммуС просвечивают той же опорной волной 2, использованной при его получении. В результате дифракции света на голограмме получается два объемных изображения: мнимоеА'и действительное А''. Мнимое изображение А' получается в том же месте, где находился предмет при съемке, действительное изображение А'' расположено по другую сторону голограммы. Он «висит» в воздухе, однако оно стереоспецифично: выпуклые места кажутся вогнутыми, вогнутые – выпуклым

Мнимое изображение тождественно предмету, поэтому, как правило, пользуются мнимым изображением. Это изображение наблюдается, помещая глаз за голограммой. Оно  объемно: перспектива изображения изменяется от положения глаза за голограммой. Перемещая глаз вправо, влево и вверх, вниз наблюдатель может увидеть задние предметы, закрытые передними.

Интерференционная картина в каждой точке голограммы определяется светом, приходящим от всех точек предмета. Поэтому каждый участок голограммы содержит информацию о предмете. Если фотопластинка разорвется на части, то информация о предмете не пропадет: по каждой разорванной части можно восстановить изображение предмета. Однако восстановленное изображение будет более бледным и менее разрешенным. Если разорвется на части обычный фотоснимок, то каждая часть будет сохранять только ту информацию, которая была запечатлена в данной части при съемке. Пропадет полная информация о предмете.

На одну и ту же фотопластинку можно записать несколько различных голограмм, изменяя каждый раз угол падения опорной волны.

           Можно получить цветное голографическое изображение. Для этого голографическое изображение снимают монохроматическим светом в трех основных цветах – например, красном, зеленом и синем – от лазеров разного цвета. И при восстановлении изображения на голограмму нужно направить свет от лазеров того же цвета.

Денисюк (1962) получил объемные голограммы, используя толстослойные фотоэмульсии. Такие голограммы проявляют себя как пространственные решетки. Они способны выделять из белого света свет того цвета, который использовался при получении голограммы.

Голография находит широкое применение в науке технике и в искусстве.