научная статья по теме СТОЯЧИЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ВОЛНЫ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Физика

Текст научной статьи на тему «СТОЯЧИЕ РЕНТГЕНОВСКИЕ ВОЛНЫ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ»

Стоячие рентгеновские волны и биологическое материаловедение

М.В.Ковальчук, Н.Н.Новикова, С.Н.Якунин

Открытие дифракции рентгеновских лучей, столетний юбилей которого отмечался в уходящем году, относится к важнейшим научным событиям ХХ в. Для развития рентгеновской физики результаты, полученные М.Лауэ, В.Фридрихом и П.Книппингом, имели огромное значение, ведь именно в этих экспериментах была убедительно доказана волновая природа рентгеновских лучей и определена длина волны этого излучения. Однако настоящий переворот открытие дифракции рентгеновских лучей произвело в физике твердого тела и кристаллохимии, в корне изменив представление ученых о строении материи и способах ее изучения. В наши дни дифракционный рентгеноструктурный анализ — один из наиболее мощных инструментов для исследования кристаллических материалов, включая такие сложные кристаллы, как белковые.

Важный шаг в рентгеновских исследованиях был сделан в конце XX в. Освоение высокоинтенсивных источников рентгеновского излучения — синхротронов — дало реальную возможность изучать слаборассеи-вающие системы и таким образом перейти от структурной диагностики объема вещества к поверхности. С другой стороны, этот поворот был продиктован

© Ковальчук М.В., Новикова Н.Н.,

Якунин С.Н., 2012

Михаил Валентинович Ковальчук,

член-корреспондент РАН, директор Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Главный редактор журнала «Кристаллография». Область научных интересов — кристаллография и кристаллофизика, физика конденсированного состояния, нанобиоорга-нические материалы и системы, применение рентгеновского, синхротронного излучения и нейтронов в материаловедении. Лауреат премии правительства РФ в области науки и техники, премии имени Е.С.Федорова РАН, кавалер орденов «За заслуги перед отечеством» III и IV степеней.

Наталья Николаевна Новикова, доктор физико-математических наук, заведующая лабораторией рентгеновских исследований биоорганических наноструктур того же института. Занимается изучением рассеяния рентгеновского излучения на одномерно-периодических системах, рентгеновскими методами структурной диагностики тонких пленок, применением синхротронного излучения для изучения биоорганических наноматериалов.

Сергей Николаевич Якунин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории структурного анализа и фазочувствительных методов того же института. Специалист в области физики поверхности и границ раздела, рентгеновской и синх-ротронной диагностики планарных на-норазмерных систем.

самой логикой развития полупроводникового материаловедения [1]. 1970-е годы можно назвать временем бурного развития поверхностно-чувствительных рентгеновских методов, благодаря которым удалось экспериментально реализовать структурные исследования тончайших поверхностных слоев и границ раздела кристаллов. Именно это в значительной степени определило впечатляющие успехи твердотельной микроэлектроники.

Сейчас на наших глазах стремительно формируется новая область физического материаловедения — биоорганическая [1]. Используя способность биологических молекул к самоорганизации, ученые научились «конструировать» биологические наносистемы, обладающие уникальными физико-химическими свойствами. Очевидно, что дальнейшее расширение границ применения этих новых материалов немыслимо без создания адекватных методов их характеризации. Поэтому сегодня одно из главных направлений в рентгеновских исследованиях связано с развитием методов структурной диагностики так называемых жидких конденсированных сред (soft condensed matter). Об одном из таких новых направлений и пойдет речь в этой статье.

Метод стоячих рентгеновских волн

Образование стоячей волны можно наблюдать при сложении двух когерентных волн одинаковой амплитуды в области их перекрытия. Характерная особенность волнового поля стоячей волны — периодическое изменение амплитуды колебаний с координатой. Особые точки, в которых амплитуда колебаний равна нулю, получили название «узлы стоячей волны», между ними расположены места с максимальным значением амплитуды — пучности. Расстояние между соседними узлами строго фиксировано и называется периодом стоячей волны. Еще одно важное свойство стоячей волны состоит в том, что расположение узлов и пучностей в пространстве зависит от соотношения фаз обеих когерентных волн.

Рассмотренные закономерности носят общий характер и сходны для волн любых типов. В рентгеновском диапазоне длин волн для формирования стоячей волны используют интерференцию падающей волны и волны отраженной, которая образуется благодаря дифракции рентгеновского излучения на кристалле (рис.1). Возникающая в кристалле и над его поверхностью стоячая рентгеновская волна (СРВ) имеет период, равный межплоскостному расстоянию кристалла [2 — 5].

Важная особенность СРВ состоит в том, что распределение узлов и пучностей в пространстве сильно зависит от угла падения 8. Хотя диапазон углов, в котором наблюдается дифракционное отражение в кристаллах, составляет всего несколько угловых секунд, при изменении угла 8 внутри этой

Рис.1. Образование стоячей рентгеновской волны в условиях дифракции в геометрии Брэгга: при падении рентгеновского пучка на кристалл под углом Брэгга благодаря дифракции формируется отраженная волна большой амплитуды. В результате когерентного сложения падающей и отраженной волн в кристалле и над его поверхностью возникает СРВ.

области разность фаз падающей и отраженной волн претерпевает существенные изменения — от нуля до п. Это означает, что при сканировании угла 8 в пределах области дифракционного отражения узлы и пучности СРВ сдвигаются на расстояние, равное половине периода СРВ (рис.2).

Эти изменения в положении узлов и пучностей СРВ можно экспериментально зафиксировать, изучая угловую зависимость выхода вторичного излучения, которое испускают атомы при поглощении рентгеновских лучей. Поскольку интенсивность вторичного излучения пропорциональна интенсивности волнового поля в месте расположения атома, следует ожидать, что смещение узлов и пучностей СРВ (т.е. минимумов и максимумов интенсивности поля) должно приводить к резким модуляциям в интенсивности вторичного сигнала (рис.2). Измеряя угловую зависимость выхода вторичного излучения, мы обнаружим на этих кривых четко выраженные аномалии, которые позволяют «визуализировать» эффекты, связанные с существованием СРВ, и, можно сказать, служат «визитной карточкой» этого интереснейшего явления в рентгеновской оптике.

Понимание тонких механизмов формирования СРВ позволило ученым разработать новый

Рис.2. «Движение» СРВ при изменении угла 8 в пределах области дифракции. Схематично показано распределение интенсивности волнового поля для двух фиксированных углов, соответствующих различным положениям узлов и пучностей относительно поверхности кристалла. При 8 = 8 !узлы СРВ приходятся на атомные плоскости кристалла, по мере увеличения угла происходит смещение СРВ, и при 8 = 82 с атомными плоскостями совпадают пучности СРВ. Такие изменения интенсивности волнового поля приводят к резким модуляциям на угловой зависимости выхода вторичных излучений (красная кривая). В том случае, когда узлы СРВ приходятся на атомы кристалла, интенсивность вторичного излучения резко уменьшается. Если атомы попадают в пучности СРВ, интенсивность вторичного излучения достигает максимума.

утл

метод структурной диагностики конденсированных сред, который обычно называют методом СРВ. Физическая сущность этого метода, а также вопросы, связанные с его практическим применением, достаточно широко и подробно обсуждаются в обзорах [2 — 5], поэтому напомним вкратце лишь общие принципы.

Метод СРВ основан на одновременной регистрации угловой зависимости рентгеновского отра-

жения и интенсивности выхода вторичных излучений (характеристической флуоресценции, фото- и оже-электронов, теплового и комптоновско-го рассеяния и др.), возникающих при поглощении рентгеновского излучения в условиях дифракции или полного внешнего отражения, когда в образце формируется отраженная волна большой амплитуды. Общая схема эксперимента приведена на рис.3.

крив пя пь код.* □таричимв излучения

ндБор ;пк1 рам

ОТДОХНИ«

I

А[Т|Тгг'||п -1ИЫ.1

□ТрОчСнныи

пучен

Рис.3. Общая схема эксперимента для модификации метода СРВ с измерением характеристической флуоресценции: угол падения рентгеновского пучка 8 изменяют с некоторым шагом в угловой области дифракции или полного внешнего отражения. Для каждого угла 8 измеряют интенсивность отраженного рентгеновского пучка и записывают спектр характеристического флуоресцентного излучения. Чтобы получить угловую зависимость выхода флуоресценции от атомов какого-то определенного сорта, интегральную интенсивность соответствующего пика на спектрах характеристического флуоресцентного излучения представляют как функцию угла 8.

Главная идея метода заключается в том, что форма угловой зависимости выхода вторичного излучения строго зависит от положения атомов-источников вторичного излучения, причем значительные изменения на этих кривых наблюдаются даже тогда, когда смещения атомов составляют малые доли межплоскостного расстояния кристалла. Это означает, что за счет спектроскопического выделения сигнала от атомов определенного сорта можно с высокой точностью определить местоположение этих атомов в кристалле и на его поверхности. Такое сочетание высокого пространственного разрешения рентгеновских лучей и спектроскопии вторичных излучений позволяет получать принципиально новую структурную информацию, недоступную традиционным рентгеновским методам.

Впервые модуляции на угловой зависимости выхода вторичных излучений в условиях дифракции на монокристалле были экспериментально зафиксированы в работах российских ученых [6], в которых был использован вторичный процесс с малой глубиной выхода (внешний фотоэффект). Эти результаты самым убедительным образом доказали факт формирования СРВ, и последовала целая серия работ, в которых были наглядно продемонстрированы возможности таких волн для структурных исследований. Уже в начале 1970-х годов новый метод про

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком