Волновая оптика - Калитеевский Н.И.
ISBN 5-06-003083-0
Скачать (прямая ссылка):
Хотя изложение основ рентгеноструктурного анализа не является задачей этой книги, упомянем здесь об интерференционном методе исследования кристаллов, в котором используют дискретные рентгеновские спектры (характеристические лучи) — резкие пики, появляющиеся на сплошном фоне рентгеновского излучения при больших ускоряющих потенциалах. Кристаллографическими исследованиями было установлено, что в любом кристалле можно обнаружить определенные плоскости, в которых атомы или ионы, составляющие его решетку, упакованы наиболее плотно. Такие плоскости отражают монохроматическое рентгеновское излучение, и, следовательно, может происходить интерференция волн, отраженных различными плоскостями. Очевидно, что усиление отраженной волны произойдет лишь под вполне определенным углом © (рис. 6.78). Если разность хода (А = АО' + О'В) равна целому числу длин волн, то
Это соотношение обычно называют условием Брэгга—Вульфа. Оно позволяет на опыте определить расстояние между плоскос-
2dsin0 = тХ.
(6.123)
351
тями, в которых находится максимальное число исследуемых центров (для этого, разумеется, необходимо еще точно знать длину волны монохроматического рентгеновского излучения). Существует ряд экспериментальных методов исследования кристаллической решетки, базирующихся на применении условия (6.123). Кроме того, если для данного кристалла точно известны расстояния между отражающими плоскостями, то это соотношение можно использовать для определения длины волны рентгеновского излучения.
Этот краткий перечень возможностей рентгеновских исследований показывает, сколь большое значение имеет дифракция на пространственной структуре для решения основных проблем кристаллографии, которая до широкого внедрения методов рентгеноструктурного анализа оставалась в основном описательной наукой, классифицировавшей кристаллы главным образом по их внешней форме и применявшей косвенные методы.
В заключение попытаемся качественно объяснить явление рассеяния света различными средами. Мы видели, что дифракция электромагнитной волны на неправильной плоской (двумерной) структуре приводит к отклонению части потока энергии от его первоначального направления, т.е. к рассеянию света. Аналогичный процесс должен происходить и при дифракции на неправильной пространственной (трехмерной) структуре — дифракция света на каждой частице приведет к отклонению части пучка. Интерференция отклонившихся от первоначального направления волн (обусловливающая возникновение острых дифракционных максимумов) в данном случае не происходит. Весь эффект пропорционален концентраций рассеивающих центров.
Главные максимумы, интенсивность которых ~ N2, отсутствуют и при освещении кристаллической решетки светом, длина волны которого существенно больше ее периода (d < А.). Действительно, уравнения (6.121) в этом случае не имеют решений для т\г2,з ^ 0- Это значит, что интегральная картина рассеяния света (так же как при хаотическом распределении рассеивающих центров) определяется лишь дифракцией на отдельных центрах, без интерференции дифрагированных пучков. Поэтому интенсивность рассеянного света и в этом случае пропорциональна концентрации (~ N). Часто в такой оптически однородной среде, свойство которой можно охарактеризовать постоянным по объему значением показателя преломления, не происходит дифракции на отдельных молекулах, а наблюдаемый эффект обусловлен рассеянием света на флуктуациях плотности.
Наибольшее рассеяние наблюдается при прохождении света в мутных средах (дым или другие твердые частицы, взвешенные в газе; туман, обусловленный присутствием в атмосфере капель
352
/воды; взвесь нерастворяющихся жидкостей и т.д.). Обычно такое рассеяние называют явлением Тиндаля в честь физика, экспериментально изучившего спектральное распределение, индикатрису рассеяния и поляризацию рассеянного света. Теория явления была дана Рэлеем.
В терминах электронной теории можно следующим образом охарактеризовать механизм процесса. Электрическое поле падающей волны «раскачивает» заряженные частицы (электроны), и возникает рассеянное излучение, которое в грубом приближении можно описать полученными ранее соотношениями для гармонического осциллятора, излучающего под действием вынуждающей силы (см. § 1.5). В частности, сразу понятно, почему наиболее интенсивно рассеивается коротковолновое излучение. Известно, что интегральная интенсивность излучения диполя пропорциональна четвертой степени частоты (и4 ~ 1Д4). Следовательно, голубой свет рассеивается значительно сильнее красного (л.КрАтол = 1,6). Индикатриса рассеяния похожа на распределение потока электромагнитной энергии в пространстве (см. § 1.5), полученное на основе очевидного положения об отсутствии излучения в направлении движения осциллирующего электрона.
Наиболее интересны результаты исследования поляризации рассеянного света. Оказывается, рассеянное излучение, распространяющееся перпендикулярно падающей неполяризованной волне, полностью поляризовано. Это также обусловлено направленностью излучения гармонического осциллятора, что и поясняет рис. 6.79. Вдоль оси У распространяется неполяризован-ный свет. Колебания вектора Е происходят в плоскости XZ, причем компоненты Е* и Е2 совершенно некоррелированы. Рассеянный в направлении оси X свет полностью поляризован (Ерас направлено вдоль оси Z).
