Αναδημοσιεύτηκε από την ΠΗΓΗ: ΕΦΗΜΕΡΙΔΑ ΤΟ ΒΗΜΑ

Κατηγορία: Φυσική

Δημοσιεύθηκε : 18 Νοεμβρίου 2014

Επισκέψεις: 2542

H πολύτιμη αυτή επιστήμη που γεννήθηκε πριν από 100 χρόνια έδωσε απαντήσεις σε βασικά ερωτήματα σχετικά με τη δομή των στερεών ενώ παράλληλα μας χάρισε φάρμακα και ταξιδεύει πλέον στον... Άρη

Βάρβογλης Χάρη

Τα μυστικά της σοκολάτας, όπως το γιατί ασπρίζει η επιφάνειά της, αποκάλυψε η κρυσταλλογραφία

Γιατί τα διαμάντια είναι σκληρά αλλά ο γραφίτης μαλακός, αφού και τα δύο υλικά αποτελούνται από άνθρακα; Γιατί οι παγετώνες ρέουν, αν και στερεοί, και γιατί μερικές φορές τα γυάλινα βάζα ρηγματώνονται χωρίς προφανή αιτία; Ως τις αρχές του 20ού αιώνα δεν υπήρχε συστηματικός τρόπος για να απαντούμε σε τέτοιου είδους ερωτήματα. Τότε ανακαλύφθηκε το φαινόμενο της περίθλασης των ακτίνων-Χ και γεννήθηκε η σύγχρονη επιστήμη της κρυσταλλογραφίας. Εφέτος, 100 χρόνια μετά την ανακοίνωση της πρώτης μεθόδου μελέτης της δομής των κρυστάλλων από τους Μπραγκ - πατέρα και γιο -, είναι ευκαιρία να θυμηθούμε πώς ξεκίνησε η νέα αυτή επιστήμη και πού έχει φτάσει σήμερα.

Φωτισμός με ακτίνες-Χ

Ως τα τέλη του 19ου αιώνα η μελέτη των κρυστάλλων, που αποτελούν τη συνηθισμένη μορφή ορυκτών, όπως για παράδειγμα είναι ο χαλαζίας, ο σιδηροπυρίτης ή οι διάφοροι πολύτιμοι λίθοι, περιοριζόταν στην αναγνώριση των εδρών τους και στη μέτρηση των γωνιών μεταξύ των εδρών και μεταξύ των ακμών. Κανείς δεν είχε κάποια ιδέα για το πώς και γιατί τα διάφορα ορυκτά κρυσταλλώνονται στη συγκεκριμένη μορφή που παρατηρούμε, ούτε και υπήρχε γνωστή μέθοδος για να αναζητήσουμε αυτές τις πληροφορίες. Η ανακάλυψη όμως των ακτίνων-Χ από τον Ρέντγκεν το 1895 έδωσε νέες ιδέες στους ερευνητές της εποχής. Από την Οπτική ήταν ήδη καλά γνωστό ότι το φαινόμενο της περίθλασης του φωτός εμφανίζεται όταν στη διαδρομή μιας φωτεινής ακτίνας παρεμβληθεί ένα εμπόδιο ή μια οπή με διαστάσεις παρόμοιες με το μήκος κύματος του φωτός. Επειδή το μήκος κύματος των ακτίνων-Χ, περίπου ένα δέκατο του δισεκατομμυριοστού του μέτρου, είναι παρόμοιο με τις αποστάσεις μεταξύ των ατόμων στα στερεά, ο γερμανός φυσικός Μαξ φον Λάουε σκέφθηκε ότι θα μπορούσε να διερευνηθεί η δομή των στερεών αν τα «φωτίζαμε» με ακτίνες-Χ. Η ιδέα του αποδείχθηκε σωστή και τα αποτελέσματα των πειραμάτων του ανακοινώθηκαν την άνοιξη του 1912, επιβεβαιώνοντας από τη μια μεριά ότι οι ακτίνες-Χ έχουν κυματικές ιδιότητες και δείχνοντας από την άλλη ότι οι ιδιότητες αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη της ύλης - με έναν σμπάρο δυο τρυγόνια. Για το επίτευγμά του αυτό βραβεύθηκε δύο χρόνια αργότερα με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής του 1914.

Η ανακάλυψη του Λάουε εντυπωσίασε πολύ τους επιστήμονες της εποχής και δύο από αυτούς, ο άγγλος καθηγητής Φυσικής Γουίλιαμ Χένρι Μπραγκ και ο γιος του Γουίλιαμ Λόρενς Μπραγκ, αποφάσισαν αμέσως να προχωρήσουν στη μαθηματική ανάλυση του φαινομένου. Αποτέλεσμα της δουλειάς τους ήταν η διατύπωση του νόμου της περίθλασης των ακτίνων-Χ από έναν κρύσταλλο. Ο νόμος αυτός έχει την πολύ απλή μαθηματική μορφή  nλ = 2d ημθ όπου λ είναι το μήκος κύματος των ακτίνων-Χ, n ένας ακέραιος αριθμός (στην απλούστερη περίπτωση ίσος με 1), d η απόσταση μεταξύ των επιπέδων στα οποία διατάσσονται τα άτομα του κρυστάλλου και ημ θ το ημίτονο της γωνίας μεταξύ των επιπέδων και της κατεύθυνσης των ακτίνων-Χ. Επομένως αν «φωτίσουμε» έναν κρύσταλλο με ακτίνες-Χ και τον περιστρέψουμε έως ότου η ένταση της ακτινοβολίας-Χ που περιθλάται από αυτόν γίνει μέγιστη, έχουμε μετρήσει τη γωνία θ. Το φαινόμενο θυμίζει την ανάκλαση του φωτός από ένα κάτοπτρο, έτσι ώστε πολλές φορές στην «τεχνική» γλώσσα των κρυσταλλογράφων οι περιθλώμενες δέσμες ακτίνων-Χ ονομάζονται «ανακλάσεις». Στη συνέχεια, γνωρίζοντας το μήκος κύματος λ των ακτίνων-Χ μπορούμε να υπολογίσουμε αμέσως την απόσταση μεταξύ των επιπέδων στα οποία είναι διατεταγμένα τα άτομα που αποτελούν τον κρύσταλλο - με άλλα λόγια, να μετρήσουμε τις αποστάσεις μεταξύ των ατόμων!