Дифракция рентгеновских лучей

ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ, упругое рассеяние пучка рентгеновских лучей кристаллическим, аморфным, жидким или газовым образцом с возникновением дифракционных лучей, отклонённых от направления распространения первичного рентгеновского пучка. Впервые обнаружена в 1912 году на кристаллах М. Лауэ и его учениками В. Фридрихом и П. Книппингом. В 1913 Лауэ предложил первую (так называемую кинематическую) теорию явления. В 1913 У. Л. Брэгг и независимо от него Г. В. Вульф сформулировали условие возникновения дифракции рентгеновских лучей в кристаллах. В 1914 английский физик Ч. Дарвин изложил основы теории динамической дифракции рентгеновских лучей, учитывающей взаимное влияние первичного и рассеянного излучений, которое становится существенным, если линейные размеры образца превышают 10^-7 м.

Дифракция рентгеновских лучей обусловлена пространственной когерентностью вторичных волн, появляющихся при взаимодействии рентгеновского излучения с электронами атомов вещества. Вторичные волны, находящиеся в одинаковой фазе, складываются, создавая под определёнными углами дифракционные максимумы. Распределение рассеянного рентгеновского излучения может быть зарегистрировано на специальной фотоплёнке или с помощью какого-либо детектора частиц. Получаемая картина распределения называется рентгенограммой; её вид связан с атомным строением рассеивающего излучение образца и особенностями проведения эксперимента (смотри Лауэ метод, Дебая - Шеррера метод).

Наиболее чёткая картина дифракции рентгеновских лучей получается при рассеянии рентгеновского излучения кристаллами, которые вследствие упорядоченной структуры являются естественной дифракционной решёткой для этого излучения, так как расстояние между рассеивающими центрами (атомами) в них одного порядка с длиной волны λ рентгеновского излучения (порядка 10^-10 м).  Дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах можно рассматривать как избирательное (по λ) отражение рентгеновских лучей от систем атомных плоскостей кристаллической решётки (смотри Брэгга - Вульфа условие). Направление дифракционных максимумов определяется условиями Лауэ:

а(cos α - cos α₀) = hλ,

b(cos β - cos β₀) = kλ,

с(cos γ - cos γ₀) = lλ,

где а, b, с - периоды кристаллической решётки по трём её осям, α₀, β₀, γ₀ - углы, образуемые падающим, а α, β, γ - рассеянным лучом с осями кристаллической решётки; h, k, l - целые числа (индексы кристаллографические).

Интенсивность дифракционного максимума определяется соответствующим атомным фактором, расположением атома в элементарной ячейке кристалла (структурным фактором); на неё влияют тепловые колебания атомов кристалла, его размеры, форма, степень совершенства его структуры и другие характеристики. Таким образом, пространственное расположение максимумов рассеянного рентгеновского излучения и их интенсивность несут информацию об элементном составе образца, атомной структуре и о её дефектах, поэтому дифракция рентгеновских лучей легла в основу рентгеновского структурного анализа и рентгенографии материалов. Возможность определения длины волны λ рентгеновского излучения по данным дифракции рентгеновских лучей на кристаллах с известной атомной структурой лежит в основе создания приборов для рентгеновской спектроскопии. Дифракция рентгеновских лучей также используется для получения узких монохроматических пучков рентгеновского излучения. Методы исследования динамической дифракции рентгеновских лучей позволили изучать строение тонких приповерхностных слоев монокристаллов. Исследование дифракции рентгеновских лучей на аморфных телах, жидкостях и газах позволяет оценить средние межмолекулярные или межатомные расстояния и установить распределение плотности вещества.

Вследствие несовершенства структуры реальных кристаллов дифракция рентгеновских лучей на них сопровождается диффузным некогерентным рассеянием излучения, создающим изотропный фон. Возможны также рассеяние с изменением длины волны вследствие Комптона эффекта, возникновение дифракции вторичного излучения и другие эффекты, изучение которых также представляет научный интерес. Теория дифракции гамма-излучения, электронов, нейтронов и других частиц аналогична теории дифракции рентгеновских лучей, но учитывает особенности взаимодействия конкретного излучения с веществом.

Лит.: Джемс Р. Оптические принципы дифракции рентгеновских лучей. М., 1950; Иверонова В. И., Ревкевич Г. П. Теория рассеяния  рентгеновских  лучей. 2-е изд. М., 1978; Пинскер З. Г. Рентгеновская кристаллооптика. М., 1982; Кривоглаз М. А. Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов в неидеальных кристаллах. К., 1983, Афанасьев А. М., Александров П. А., Имамов Р. М. Рентгеновская структурная диагностика в исследовании приповерхностных слоев монокристаллов. М., 1986.