Знание-сила, 2000 № 09 (879)

Сто лет назад Вильгельм Конрад Рентген открыл лучи, позволяющие заглядывать внутрь твердых тел, – в России они носят имя первооткрывателя, а на Западе по-прежнему называются Х-лучами. Восемьдесят лет из прошедшего столетия это открытие широко используется для определения положения атомов в жидких кристаллах, полупроводниках и даже в сложных биологических молекулах типа ДНК. А полвека назад было обнаружено новое – синхротроиное – излучение, которое еще шире раздвигает границы использования рентгеновских лучей. Оно позволяет буквально за минуты получить подробный внутренний портрет вещества – даже некристаллического и неоднородного.

Главное – структура

Есть одно общее качество у полупроводников для миниатюрных компьютерных чипов, магнитных дисков для компьютеров, металлов и сплавов для высокопрочных структур, керамики для машин и турбин, работающих при высокой температуре, полимеров для облегченных деталей автомобиля и самолета, материалов для плоских экранов дисплеев – зависимость свойств от структуры. Современную промышленность и технологию более всего привлекает возможность изменения этой структуры для получения желаемых свойств.

В самом общем виде структура – это положение атомов и поведение электронов, вращающихся вокруг атомных ядер. Атомная структура твердых материалов варьируется от полностью упорядоченных кристаллов, где атомы расположены в точках решетки (дальний порядок), до полностью неупорядоченных образований. Многие материалы, такие как металлы и полупроводники, обладают симметрией дальнего порядка, но могут проявлять характеристики беспорядка на близких расстояниях, где внедрены примеси. Кроме того, материалы могут состоять из большого количества кристаллических зерен с разной ориентацией. Компьютерные чипы основаны на кристаллах кремния, а металлы и сплавы имеют поликристаллическую структуру. Стекла – наиболее известные аморфные материалы.

Что касается электронной структуры материалов, то внутренние электроны жестко связаны с ядрами, а внешние, слабее связанные с ядром, участвуют в химической связи между атомами (валентные электроны) и других процессах, таких как проводимость тока. Изучение валентных электронов показало, что легче всего построить их квантовомеханическую модель для кристаллических тел, когда электрон не привязан к определенному атому.

Рентгеновские лучи стали столь популярными благодаря своей способности проникать в глубь материала и взаимодействовать с атомами внутри него. Есть два основных типа взаимодействий, дающих информацию о структуре материала: поглощение и рассеяние.

Картина рассеянного излучения содержит сведения о пространственном строении рассеивателя. Когда длина волны несколько меньше размера объекта, на котором идет рассеяние, изображение получается лучше всего. Поэтому для определения позиций атомов необходимы волны с длиной в размер атома. Кроме того, поглощение рентгеновских лучей дает широкие возможности для изучения электронной структуры, поскольку энергии рентгеновских лучей очень хорошо соответствуют интервалу энергий, нужному для перевода электронов в валентную зону. Возбужденные электроны сбрасывают энергию. Это флуоресценция – эмиссия фотонов, испускание самих электронов или ионов, что можно регистрировать и по чему можно судить о внутренней электронной структуре.

С самых первых дней своего применения в начале шестидесятых попов синхротронное излучение расширило возможности традиционных способов – рентгеновской дифракции и фотоэлектронной спектроскопии – и породило целый ряд новых методов, без него невозможных. Создается оно позитронами и электронами, вращающимися по круговой орбите в ускорителе элементарных частиц и в миллиарды раз интенсивнее, чем излучение от обычных рентгеновских трубок. Более того, в интересах того или иного эксперимента можно выбирать нужную длину волны. Есть и другие удобства, например, контролируемая поляризация (как линейная, так и круговая), возможность сведения в узкий пучок типа лазерного, импульсная структура. Все это делает синхротронное излучение совершенно уникальным источником рентгеновских лучей.

Синхротроны и накопительные кольца

Создание ультраярких источников рентгеновских лучей – одна из наиболее успешных (и нечасто рассказываемых) историй взаимодействия науки и технологии за последние полвека. Накопительные кольца – «машины», их производящие, – основаны на использовании вакуумной трубки, свернутой в кольцо диаметром в несколько сотен метров. По ней несутся электроны со скоростями, близкими к скорости света, на поворотах они сбрасывают излучение, которое позволяет экспериментаторам просвечивать вещество на атомном уровне.