Электромагнитные поля и волны. Основные положения теории Максвелла.

Контрольная работа № 2

Электромагнитные колебания.

В электрических цепях, так же как и в механических системах, таких как груз на пружине или маятник, могут возникать свободные колебания. Простейшей электрической системой, способной совершать свободные колебания, является последовательный RLC-контур.

Последовательный RLС-контур

Когда ключ K находится в положении 1, конденсатор заряжается до напряжения . После переключения ключа в положение 2 начинается процесс разрядки конденсатора через резистор R и катушку индуктивности L. При определенных условиях этот процесс может иметь колебательный характер.

Закон Ома для замкнутой RLC-цепи, не содержащей внешнего источника тока, записывается в виде  

где  – напряжение на конденсаторе, q – заряд конденсатора, – ток в цепи.  В правой части этого соотношения стоит ЭДС самоиндукции катушки. Если в качестве переменной величины выбрать заряд конденсатора q (t), уравнение, описывающее свободные колебания в RLC-контуре, может быть приведено к следующему виду:

Рассмотрим сначала случай, когда в контуре нет потерь электромагнитной энергии (R = 0). Тогда  

                                             (1)

Здесь принято обозначение: Уравнение (1) описывает свободные колебания в LC-контуре в отсутствие затухания.

В отсутствие затухания свободные колебания в электрическом контуре являются гармоническими, то есть происходят по закону

Амплитуда q₀ и начальная фаза φ₀ определяются начальными условиями, то есть тем способом, с помощью которого система была выведена из состояния равновесия.

При свободных колебаниях происходит периодическое превращение электрической энергии W_э, запасенной в конденсаторе, в магнитную энергию W_м катушки и наоборот. Если в колебательном контуре нет потерь энергии, то полная электромагнитная энергия системы остается неизменной:

Все реальные контуры содержат электрическое сопротивление R. Процесс свободных колебаний в таком контуре уже не подчиняется гармоническому закону. За каждый период колебаний часть электромагнитной энергии, запасенной в контуре, превращается в джоулево тепло, и колебания становятся затухающими.

Затухающие колебания в контуре

Затухающие колебания в электрическом контуре аналогичны затухающим колебаниям груза на пружине при наличии вязкого трения, когда сила трения изменяется прямо пропорционально скорости тела: F_тр = – βυ. Коэффициент β в этой формуле аналогичен сопротивлению R электрического контура. Уравнение свободных колебаний в контуре при наличии затухания имеет вид

Физическая величина δ = R / 2L называется коэффициентом затухания. Решением этого дифференциального уравнения является функция

которая содержит множитель exp (–δt), описывающий затухание колебаний. Скорость затухания зависит от электрического сопротивления R контура. Интервал временим  в течение которого амплитуда колебаний уменьшается в e раз, называется временем затухания.

Добротности Q колебательной системы:

где N – число полных колебаний, совершаемых системой за время затухания τ. Для RLC-контура добротность Q выражается формулой

Добротность электрических контуров, применяемых в радиотехнике, обычно порядка нескольких десятков и даже сотен.

 

Интерферометр Майкельсона.

Рис. 1

Пучок света от источника S падает на полупрозрачную пластинку P₁, покрытую тонким слоем серебра (этот слой показан на рис. 1 точками). Половина упавшего светового пучка отражается пластинкой P₁ в направлении луча 1, половина проходит сквозь пластинку и распространяется в направлении луча 2. Пучок 1 отражается от зеркала М₁ и возвращается к P₁, где он делится на два равных по интенсивности пучка.

Один из них проходит сквозь пластинку и образует пучок 1', второй отражается в направлении к S; этот пучок нас интересовать дальше не будет. Пучок 2, отразившись от зеркала М₂, тоже возвращается к пластинке P₁, где он делится на две части: отразившийся от полупрозрачного слоя пучок 2' и прошедший сквозь слой пучок, которым мы также интересоваться больше, не будем.

Пучки света 1' и 2' когерентны и обладают одинаковой интенсивностью. Результат интерференции этих пучков зависит от оптической разности их хода от пластинки P₁ до зеркал M₁ и М₂ и обратно. Луч 2 проходит толщу пластинки P₁ трижды, луч 1 – только один раз.

Чтобы скомпенсировать возникающую за счет этого разную (вследствие дисперсии) для различных длин волн оптическую разность хода, на пути луча 1 ставится точно такая, как P₁, но не посеребренная пластинка Р₂. Тем самым уравниваются пути лучей 1 и 2 в стекле. Интерференционная картина наблюдается с помощью зрительной трубы Т.

Разность хода лучей удобно оценивать, заменив мысленно зеркало М₂ его мнимым изображением М₂' в полупрозрачной пластинке P₁. Тогда лучи 1' и 2' можно рассматривать как возникшие за счет отражения от прозрачной пластинки, ограниченной плоскостями M₁ и М₂'. С помощью юстировочных винтов W₁ можно изменять угол между этими плоскостями, в частности их можно устанавливать строго параллельно друг другу.

Вращая микрометрический винт W₂, можно плавно перемещать зеркало М₂, не изменяя его наклона. Тем самым можно менять толщину «пластинки», в частности, можно заставить плоскости M₁ и М₂' пересечься друг с другом (рис. 1, б).

Наблюдаемая интерференционная картина зависит от юстировки зеркал и от характера пучка света, падающего на прибор. Если падающий пучок параллелен, а плоскости M₁ и М₂' образуют угол, не равный нулю, то в поле зрения прибора наблюдаются прямолинейные полосы равной толщины, расположенные параллельно линии пересечения плоскостей M₁ и М₂'. В белом свете все полосы, кроме располагающейся по упомянутой линии пересечения полосы нулевого порядка, будут окрашенными. Нулевая полоса будет черной, так как луч 1 отражается от пластинки Р₁ снаружи, а луч 2 – изнутри, что дает разность фаз, равную p. Полосы в белом свете наблюдаются лишь при малой толщине «пластинки». В монохроматическом свете, соответствующем красной линии кадмия, Майкельсон наблюдал отчетливую интерференционную картину при разности хода порядка 500000 длин волн (расстояние между M₁ и М₂' составляет в этом случае приблизительно 150 мм).

При строго параллельном расположении плоскостей M₁ и М₂' и слегка расходящемся пучке света в поле зрения прибора наблюдаются полосы равного наклона, имеющие вид концентрических колец. При вращении микрометрического винта W₂ кольца увеличиваются или уменьшаются в диаметре. При этом в центре картины либо возникают новые кольца, либо уменьшающиеся кольца стягиваются в точку и затем исчезают. Смещение картины на одну полосу соответствует перемещению зеркала М₂ на половину длины волны.

Пластинка Р₂ может вращаться вокруг оси, перпендикулярной к плоскости рисунка. В нормальном положении она строго параллельна пластинке P₁. Поворот пластинки приводит к смещению интерференционной картины. Это позволяет использовать пластинку Р₂ в качестве компенсатора возникающих в интерферометре небольших разностей хода.

Наиболее известные результаты.

Измерение скорости света в гипотетическом эфире. Результат – отказ от теории эфира, создание специальной теории относительности.

Майкельсон впервые сравнил длины волны красной линии кадмия с длиной нормального метра. Согласно полученным Майкельсоном результатам на длине нормального метра укладывается 1 553 163,5 длин волн красной линии кадмия. Результаты:

международная система единиц (СИ) устанавливает, что метр –это длина, равная 1650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходам между уровнями ² P₁₀ и ⁵ D₅ атома криптона- 86, в настоящее время длины волн многих спектральных линий известны с большой степенью точности. Поэтому отпала необходимость непосредственного счета числа длин волн, укладывающихся на данной длине.

Интерферометр Фабри– Перо.

Рис. 2.

На рис. 2 изображен так называемый интерферометр Фабри– Перо. Он состоит из двух стеклянных пластинок, прижатых к торцам круглой трубы. Поверхности, отмеченные точками, покрыты полупрозрачным слоем серебра. Эти поверхности строго параллельны друг другу. Пучки монохроматического света, отразившиеся от посеребренных поверхностей, интерферируя, дают кольца равного наклона. Если, например, для двух длин волн l₁ и l₂ в центре картины получается светлое пятно, можно написать следующие соотношения ; i₁ нужно положить равным нулю, n – единице 2 b = (k+ ½) l₀

                                     (1)

где  – длина эталона,  и  – целые числа,  и  – длины волн в среде, находящейся внутри эталона.

Если величины ,  и  известны с достаточной степенью точности, подбор целых чисел  и , удовлетворяющих соотношениям (1), оказывается однозначным. Определив числа  и , можно выразить длину эталона в длинах волн  и . Впоследствии появляется возможность получения интерференции больших порядков. Главное, что расстояния между максимумами и минимумами (в единицах длин волн!) создают масштаб в оптическом спектре и, тем самым, позволяют определять тонкие детали строения этого спектра с высокой точностью.

Результаты: единственный способ получения монохроматических волн с малой расходимостью в лазерах. Использование удачной комбинации ИФП позволяет получить строгую монохроматичность волны (с точностью до 10⁹ Гц).

Интерферометр Жамена

Интерферометр Жамена состоит из двух одинаковых толстых пластин P ₁ и P ₂ (см. рисунок), изготовленных из весьма однородного стекла (или кварца для работы в ультрафиолетовой области спектра).

Задние поверхности пластин посеребрены. Пучок света от протяженного источника падает под углом, близким к 45^o, на одну из пластин. В результате отражения от передней и задней поверхностей пластины P ₁ возникают два параллельных пучка, разделенных тем больше, чем толще пластина. Каждый из них в свою очередь раздваивается при отражении от двух поверхностей пластины P ₂. Средние пучки 1 и 2 налагаются и образуют интерференционную картину в фокальной плоскости зрительной трубы T. Разность хода между ними равна

Схема интерферометра Жамена (вид сверху)

 

Здесь h - толщина пластин; n - показатель преломления их материала; q₁ и q₂ - углы падения на поверхности пластин P₁ и P ₂; q'₁ и q'₂ - соответствующие углы преломления. Если пластины строго параллельны, то q'₁ = q'₂ и D = 0. Поле зрения будет равномерно освещенным. При юстировке одну из пластин слегка наклоняют, поворачивая вокруг горизонтальной оси. При этом интерференционые полосы, наблюдаемые в установленную на бесконечность зрительную трубу, горизонтальны и эквидистантны. Они соответствуют низким порядкам интерференции и потому могут наблюдаться в белом свете. Значительное разведение пучков между пластинами позволяет поместить на их пути кюветы K ₁ и K₂ с исследуемыми веществами. При этом оптическая разность хода изменится на (n₂ - n₁)l, что вызовет смещение интерференционной картины. По такому же принципу устроен интерферометр Рождественского.

Результат: получены значения показателей преломления большинства известных газов.

Интерферометр Маха-Цандера

Интерферометр Маха-Цандера является по сути модификацией двухлучевого интерферометра Жамена для интерференционных измерений модуляции плотности в газовых потоках (в аэродинамических трубах и т.п.).

Схематическое изображение конструкции интерферометра Маха-Цандера представлено на рис. 1.

 

рис.3

Параллельный пучок света (в современных версиях обычно расширенный телескопом пучок непрерывного лазера), делится полупрозрачным зеркалом BS на два плеча, которые в дальнейшем сводятся при помощи “глухих” зеркал М 1,2, полупрозрачного зеркала SM и объектива L на условном экране SC (фотопленка, светочувствительная ПЗС -матрица и т.п. регистраторы распределения интенсивности).

В плечи интерферометра вводятся исследуемый газовый поток FLOW и кювета сравнения REF, заполненная тем же газом, но в состоянии покоя. Как правило, излучение проходит поперек соответствующей аэродинамической трубы через специальные прозрачные окна. Угол сведения пучков a выбирается с тем расчетом, чтобы, как показано на рисунке, область локализации интерференционных полос (в данном случае пересечения проходящего через SM пучка с продолжением отраженного) совпадала с выходным сечением исследуемой газовой кюветы (трубы). Эта область локализации изображается объективом на экран. В отсутствии потока на нем возникает система эквидистантных прямых интерференционных полос, с расстоянием между полосами:

L» l / a,

где l - длина волны излучения; a - малый угол между пучками.

При наличии потока (то есть модуляции плотности газа и соответствующего фазового набега одного из пучков) интерференционные полосы искривляются, причем их линейное смещение относительно неискривленного положения пропорционально изменению плотности газа в данной части потока. По получившейся интерференционной картине восстанавливают распределение плотности газа в потоке.

Результаты: исследования распределения плотности в газовых потоках. Кроме того, он применяется и в оптических схемах для статической или динамической голографии.

 

Голография

Голография – метод получения объемного изображения объекта, путем регистрации и последующего восстановления, волн изобретенный английским физиком венгерского происхождения Д. Габором в 1948 г.

    Волны могут быть при этом любые – световые, рентгеновские, корпускулярные, акустические и т.д.

При обычной фотографии фотопластинка регистрирует только интенсивность световой волны. Информация о фазе волны при этом теряется. Таким образом, содержащаяся в фотографии информация об объекте весьма ограничена, например, не можем увидеть то, что было закрыто во время съемки объектом, находящемся на переднем плане, - не можем заглянуть за этот объект.

Схема записи голограммы

Голография позволяет записать на фотопластинку (голограмму) полную информацию (амплитуду и фазу) об объекте и затем восстановить изображение. Для этого необходимо иметь излучение с высокой степенью когерентности, полученное с помощью лазера.

Схема чтения голограммы

Для получения цветного голографического изображения объекта пользуются монохроматическим светом трех основных цветов (например, красным, зеленым и синим), испускаемым одновременно тремя лазерами.

Если голограмму расколоть на несколько кусков, то каждый из них при просвечивании восстанавливает полное изображение, но с меньшей четкостью.

 

Рефрактометр ИРФ-454 Б2М

 

Рефрактометр ИРФ-454Б2М предназначен для измерения показателя преломления и средней дисперсии неагрессивных жидкостей и твердых тел.

Рефрактометр ИРФ-454 Б2М обладает рядом достоинств:

быстротой измерения;

простотой обслуживания;

минимальным расходом исследуемого вещества, что особенно важно при работе с дорогостоящими материалами.

Рефрактометр ИРФ-454 Б2М применяется:

1. В МЕДИЦИНСКИХ УЧРЕЖДЕНИЯХ для определения белка в моче, сыворотке крови, плотности мочи, анализ мозговой и суставной жидкости, плотности субретинальной и других жидкостей глаза. Использование рефрактометра позволяет значительно сократить затраты времени при массовых обследованиях пациентов.

2. В ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ рефрактометр ИРФ-454б2м может применяться для исследования водных растворов различных лекарственных препаратов: кальция хлорида (0% и 20%); новокаина (0,5%, 1%, 2%, 10%, 20%, 40%); эфедрина (5%); глюкозы (5%, 25%, 40%); магния сульфата (25%); натрия хлорида (10%); кордиамина и т.д.

 

Дисперсия света.

Дисперсией света называется зависимость показателя преломления n вещества от частоты ν (длины волн λ) света или зависимость фазовой скорости световых волн от их частоты.

Дисперсия света представляется в виде зависимости: или .

Следствием дисперсии является разложение в спектр пучка белого света при прохождении его через призму (рис.1). Первые экспериментальные наблюдения дисперсии света проводил в 1672 г. И. Ньютон. Он объяснил это явление различием масс корпускул. Рассмотрим дисперсию света в призме. Пусть монохроматический пучок света падает на призму с преломляющим углом А и показателем преломления n (рис. 2) под углом.

Рис.1                                          Рис.2

После двукратного преломления (на левой и правой гранях призмы) луч оказывается преломлен от первоначального направления на угол φ. Из рис. 2 следует, что

Предположим, что углы А и малы, тогда углы  , , будут также малы и вместо синусов этих углов можно воспользоваться их значениями. Поэтому ,  , а т.к.  , то  или .

Отсюда следует, что

                                             (1)

т.е. угол отклонения лучей призмой тем больше, чем больше преломляющий угол призмы.

Из выражения (1) вытекает, что угол отклонения лучей призмой зависит от показателя преломления n, а n – функция длины волны, поэтому лучи разных длин волн после прохождения призмы отклоняются на разные углы. Пучок белого света за призмой разлагается в спектр, который называется дисперсионным или призматическим, что и наблюдал Ньютон. Таким образом, с помощью призмы, так же как с помощью дифракционной решетки, разлагая свет в спектр, можно определить его спектральный состав.

Законы поглощения излучения

 

В основе спектрофотометрических методов анализа лежат два основных закона. Первый из них - закон Бугера – Ламберта, второй закон - закон Бера. Объединенный закон Бугера - Ламберта – Бера имеет следующую формулировку:

Визуальная колориметрия

 

Интенсивность окраски растворов можно измерять различными методами. Среди них выделяют субъективные (визуальные) методы колориметрии и объективные, то есть фотоколориметрические.

Визуальными называют такие методы, при которых оценку интенсивности окраски испытуемого раствора делают невооруженным глазом. При объективных методах колориметрического определения для измерения интенсивности окраски испытуемого раствора вместо непосредственного наблюдения пользуются фотоэлементами. Определение в этом случае проводят в специальных приборах - фотоколориметрах, поэтому метод получил название фотоколориметрического.

 

К визуальным методам относятся:

· метод стандартных серий;

· метод колориметрического титрования, или дублирования;

· метод уравнивания.

Метод стандартных серий. При выполнении анализа методом стандартных серий интенсивность окраски анализируемого окрашенного раствора сравнивают с окрасками серии специально приготовленных стандартных растворов (при одинаковой толщине слоя).

Метод колориметрического титрования (дублирования) основан на сравнении окраски анализируемого раствора с окраской другого раствора - контрольного. Контрольный раствор содержит все компоненты исследуемого раствора, за исключением определяемого вещества, и все использовавшиеся при подготовке пробы реактивы. К нему добавляют из бюретки стандартный раствор определяемого вещества. Когда этого раствора будет добавлено столько, что интенсивности окраски контрольного и анализируемого растворов уравняются, считают, что в анализируемом растворе содержится столько же определяемого вещества, сколько его было введено в контрольный раствор.

Метод уравнивания отличается от описанных выше визуальных колориметрических методов, в которых подобие окрасок стандартного и испытуемого растворов достигается изменением их концентрации. В методе уравнивания подобие окрасок достигается изменением толщины слоев окрашенных растворов. Для этой цели при определении концентрации веществ используют колориметры сливания и погружения.

Достоинства визуальных методов колориметрического анализа:

- техника определения проста, нет необходимости в сложном дорогостоящем оборудовании;

- глаз наблюдателя может оценивать не только интенсивность, но и оттенки окраски растворов.

Недостатки:

- необходимо готовить стандартный раствор или серии стандартных растворов;

- невозможно сравнивать интенсивность окраски раствора в присутствии других окрашенных веществ;

- при длительном сравнивании интенсивности окраски глаз человека утомляется, и ошибка определения увеличивается;

- глаз человека не столь чувствителен к небольшим изменениям оптической плотности, как фотоэлектрические устройства, вследствие это­го невозможно обнаружить разницу в концентрации примерно до пяти относительных процентов.

Законы теплового излучения

1. Закон Кирхгофа. Тепловое излучение является равновесным - сколько энергии излучается телом, столь ее им и поглощается. Для трех тел, находящихся в замкнутой полости можно записать:

 

Указанное соотношение будет верным и тогда, когда одно из тел будет АЧ:

 

Т.к. для АЧТ α_λT.
Это закон Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения (при определенной температуре и для определенной длины волны) не зависит от природы тела и равно для всех тел спектральной плотности энергетической светимости при тех же самых температуре и длине волны.

Следствия из закона Кирхгофа:
1. Спектральная энергетическая светимость АЧТ является универсальной функцией длины волны и температуры тела.
2. Спектральная энергетическая светимость АЧТ наибольшая.
3. Спектральная энергетическая светимость произвольного тела равна произведению его коэффициента поглощения на спектральную энергетическую светимость абсолютно черного тела.
4. Любое тело при данной температуре излучает волны той же длины волны, которое оно излучает при данной температуре.

Систематическое изучение спектров ряда элементов позволило Кирхгофу и Бунзену установить однозначную связь между спектрами поглощения и излучения газов и индивидуальностью соответствующих атомов. Так был предложен спектральный анализ, с помощью которого можно выявить вещества, концентрация которых составляет 0,1нм.

Распределение спектральной плотности энергетической светимости для абсолютно черного тела, серого тела, произвольного тела. Последняя кривая имеет несколько максимумов и минимумов, что указывает на избирательность излучения и поглощения таких тел.

2. Закон Стефана-Больцмана.
В 1879 году австрийские ученые Йозеф Стефан (экспериментально для произвольного тела) и Людвиг Больцман (теоретически для АЧТ) установили, что общая энергетическая светимость во всем диапазоне длин волн пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:

3. Закон Вина.
Немецкий физик Вильгельм Вин в 1893 году сформулировал закон, который определяет положение максимума спектральной плотности энергетической светимости тела в спектре излучения АЧТ в зависимости от температуры. Согласно закону, длина волны λ_max, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости АЧТ, обратно пропорционален его абсолютной температуре Т: λ_max = в/t, где в = 2,9*10^-3 м·К - постоянная Вина.

Таким образом, при увеличении температуры изменяется не только полная энергия излучения, но и сама форма кривой распределения спектральной плотности энергетической светимости. Максимум спектральной плотности при увеличении температуры смещается в сторону более коротких длин волн. Поэтому закон Вина называют законом смещения.

Закон Вина применяется в оптической пирометрии - метода определения температуры по спектру излучения сильно нагретых тел, которые отдалены от наблюдателя. Именно этим методом впервые была определена температура Солнца (для 470нм Т=6160К).

 

Представленные законы не позволяли теоретически найти уравнения распределения спектральной плотности энергетической светимости по длинам волн. Труды Релея и Джинса, в которых ученые исследовали спектральный состав излучения АЧТ на основе законов классической физики, привели к принципиальным трудностям, названных ультрафиолетовой катастрофой. В диапазоне УФ-волн энергетическая светимость АЧТ должна была достигать бесконечности, хотя в опытах она уменьшалась к нулю. Эти результаты противоречили закону сохранения энергии.

 

4. Теория Планка. Немецкий ученый в 1900 году выдвинул гипотезу о том, что тела излучают не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: E = hν = h·c/λ, где h = 6,63*10^-34 Дж·с постоянная Планка.

Руководствуясь представлениями о квантовом излучении АЧТ, он получил уравнение для спектральной плотности энергетической светимости АЧТ:

Эта формула находится в соответствии с опытными данными во всем интервале длин волн при всех температурах.

Солнце - основной источник теплового излучения в природе. Солнечное излучение занимает широкий диапазон длин волн: от 0,1нм до 10м и более. 99% солнечной энергии приходится на диапазон от 280 до 6000 нм. На единицу площади Земной поверхности приходится в горах от 800 до 1000 Вт/м². До земной поверхности доходит одна двухмиллиардная часть тепла - 9,23 Дж/см². На диапазон теплового излучения от 6000 до 500000 нм приходится 0,4% энергии Солнца. В атмосфере Земли большая часть ИК-излучения поглощается молекулами воды, кислорода, азота, диоксида углерода. Радиодиапазон тоже большей частью поглощается атмосферой.

Количество энергии, которую приносят солнечные лучи за 1с на площадь в 1 кв.м, расположенную за пределами земной атмосферы на высоте 82 км перпендикулярную солнечным лучам называется солнечной постоянной. Она равна 1,4*10³ Вт/м².

Спектральное распределение нормальной плотности потока солнечного излучения совпадает с таким для АЧТ при температуре 6000 градусов. Поэтому Солнце относительно теплового излучения - АЧТ.

Природа рентгеновских лучей

Рентгеновские лучи были обнаружены случайно в 1895 году знаменитым немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Он изучал катодные лучи в газоразрядной трубке низкого давления при высоком напряжении между ее электродами. Несмотря на то, что трубка находилась в черном ящике, Рентген обратил внимание, что флуоресцентный экран, случайно находившийся рядом, всякий раз светился, когда действовала трубка. Трубка оказалась источником излучения, которое могло проникать через бумагу, дерево, стекло и даже пластинку алюминия толщиной в полтора сантиметра.

Рентген определил, что газоразрядная трубка является источником нового вида невидимого излучения, обладающего большой проникающей способностью. Ученый не мог определить было ли это излучение потоком частиц или волн, и он решил дать ему название X-лучи. В последствие их назвали рентгеновскими лучами

Теперь известно, что X- лучи - вид электромагнитного излучения, имеющего меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые электромагнитные волны. Длина волны X -лучей колеблется от 70 нм до 10^-5 нм. Чем короче длина волны X-лучей, тем больше энергия их фотонов и больше проникающая способность. X-лучи со сравнительно большой длиной волны (более 10 нм), называются мягкими. Длина волны 1 – 10 нм характеризует жесткие X -лучи. Они обладают огромной проникающей способностью.

Рентгеноструктурный анализ

Рентгеноструктурный анализ это метод исследования строения тел, использующий явление дифракции рентгеновских лучей, метод исследования структуры вещества по распределению в пространстве и интенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. Дифракционная картина зависит от длины волны используемых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атомной структуры применяют излучение с длиной волны ~1Å, т.е. порядка размеров атома.

Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д. Рентгеноструктурный анализ является основным методом определения структуры кристаллов. При исследовании кристаллов он даёт наибольшую информацию. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданною самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей. Однако он доставляет ценные сведения и при исследовании тел с менее упорядоченной структурой, таких, как жидкости, аморфные тела, жидкие кристаллы, полимеры и другие. На основе многочисленных уже расшифрованных атомных структур может быть решена и обратная задача: по рентгенограмме поликристаллического вещества, например легированной стали, сплава, руды, лунного грунта, может быть установлен кристаллический состав этого вещества, то есть выполнен фазовый анализ.

В ходе рентгеноструктурного анализа исследуемый образец помещают на пути рентгеновских лучей и регистрируют дифракционную картину, возникающую в результате взаимодействия лучей с веществом. На следующем этапе исследования анализируют дифракционную картину и расчётным путём устанавливают взаимное расположение частиц в пространстве, вызвавшее появление данной картины.

Рентгеноструктурный анализ кристаллических веществ распадается на два этапа.

· Определение размеров элементарной ячейки кристалла, числа частиц (атомов, молекул) в элементарной ячейке и симметрии расположения частиц (так называемой пространственной группы). Эти данные получают путём анализа геометрии расположения дифракционных максимумов.

· Расчёт электронной плотности внутри элементарной ячейки и определение координат атомов, которые отождествляются с положением максимумов электронной плотности. Эти данные получают анализом интенсивности дифракционных максимумов.

 

Газовая электронография