.
(1.1)
Это известная формула Брэггов-Вульфа, в которой угол θ (угол скольжения) есть угол между направлением падающего луча и кристаллической плоскостью, а n называют порядком отражения. Формула (1.1), полученная на основе геометрического вывода, дает правильный результат и используется для расчета межплоскостных расстояний. Однако она не раскрывает физической сущности явления дифракции. Поэтому при строгом рассмотрении дифракции необходимо учитывать вторичные волны, исходящие из всех точек объекта.
Рассмотрим
задачу о рассеянии в общем виде для простого случая, когда рассеивающая система
состоит из двух центров (рис. 1.1). Если на эти центры падает плоская волна, то
она возбуждает их электроны, а сами центры становятся источниками вторичных
волн. Как было сказано выше, дифракция происходит в том случае, когда длина
волны λ
по величине сопоставима с межатомными расстояниями . Если же
,
то разности фаз в любых направлениях практически не возникает и интенсивность
рассеяния не зависит от угла. Обычно при исследовании биологических объектов
используют
– излучение меди с λ=1,54 Å.
|
Рис. 1.1. Схема рассеяния на двух центрах
Пусть напряженность электрического поля падающей волны будет
, (1.2)
где – амплитуда волны, φ – начальная
фаза. Укажем, что в формуле (1.2) отсутствует время, так как нас интересует не
процесс распространения волны, а ее мгновенная картина в некоторый момент. Это
связано с тем, что фазовые сдвиги рассеянных и интерферирующих между собой волн
зависят лишь от геометрии волн и объекта и постоянны во времени.
Если выбрать начало координат в одном из рассеивающих
центров, то положение второго определится радиусом-вектором , а разность хода волн, рассеянных
двумя центрами, будет равна
,
где введен вектор
,
(1.3)
играющий важную роль в теории дифракции. Кроме этого вектора, также используют вектор
. (1.4)
Если падающая волна имеет единичную амплитуду (А=1), то рассеивающий
центр в положении, определяемом вектором ,
дает волну
, (1.5)
где f – рассеивающая сила центра, зависящая от его электронной плотности.
Из рис. 1.1 следует, что
(1.6)
Для нахождения результирующей волны в случае если объект содержит n рассеивающих центров, надо просуммировать выражения типа (1.5):
,
(1.7)
где величина называется
структурной амплитудой рассеяния. Выражение (1.7) имеет универсальный характер,
если под
понимать любую рассеивающую
структуру. Это может быть электрон, атом, молекула, группа молекул и т.п.
В случае непрерывного распределения рассеивающих центров со
средней по времени электронной плотностью системы сумма
(1.7) заменяется интегралом типа интеграла Фурье
, (1.8)
где – элемент рассеивающего объема.
Амплитуда рассеяния является функцией векторов
и
, то есть определяет рассеяние в
любом направлении
.
Приведем также выражение для амплитуды рассеяния в декартовых координатах
. (1.9)
Формулы (1.8) и (1.9) позволяют решать задачи о рассеянии от объектов различной формы, с различным расположением рассеивающих центров.
Пространство вектора ,
в котором задана функция
, называется
обратным пространством. Говорят, что
является
«образом» в обратном пространстве функции
,
описывающей строение объекта в реальном пространстве.
Если объект определенным образом ориентирован по отношению к
направлению , то в дифракционной картине
реализуются лишь некоторые значения амплитуды, так как концы вектора
(1.4) могут располагаться лишь на
сфере, описываемой вектором
. Эта сфера
называется сферой отражения или сферой Эвальда (рис. 1.2). На рис. 1.2 показано
распределение интенсивности
на
рентгенограмме, соответствующее сечению 1 обратного пространства, причем
интенсивности, наблюдаемые при рассеянии в направлении
,
то есть под углом
, пропорциональны квадрату
модуля
соответствующего значения
. Угол
определяется
по соотношению (1.6).
|
Рис. 1.2. Схема дифракции, показывающая сферу Эвальда (1)
и сферу ограничения (2) в обратном пространстве
При изменении направления начального пучка , или, что то же самое, при изменении
ориентации объекта относительно первичного пучка, получаются другие сечения
обратного пространства (рис. 1.2) Таким образом можно найти значение
внутри «сферы ограничения», имеющей
радиус
. Отсюда следует, что величина используемой
длины волны
, вообще говоря, определяет объем
информации, получаемой из экспериментальных данных. Поэтому длину волны нужно
подбирать так, чтобы область, где
отлична от нуля,
оказалась внутри сферы ограничения. В противном случае возникает «эффект
обрыва».
Используем выражение (1.8) для изолированного сферически симметричного атома. Тогда для атомной амплитуды имеем выражение
,
(1.10)
где – электронная плотность
атома, которая является функцией расстояния
от
ядра. Атомная амплитуда в этом случае зависит только от величины модуля s (или
) и является в
обратном пространстве сферически симметричной. Кривые атомного рассеяния, то
есть зависимости
, рассчитаны для всех
атомов и для некоторых элементов представлены на рис. 1.3. Видно, что с
увеличением угла происходит уменьшение f.
Найдем атомную амплитуду при .
Так как
при
,
то
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.