Творческое задание, страница 219 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Творческое задание

Подготовьте сообщение на тему:

Кристаллография, рентгенография, электронная микроскопия.

Кристаллография

Кристаллография — это наука, изучающая кристаллы: их внутреннее строение, форму, физические и химические свойства, а также процессы их образования и роста. В основе кристаллографии лежит представление о кристаллической решетке — трёхмерной периодической сетке, в узлах которой расположены атомы, ионы или молекулы.

Ключевым понятием является элементарная ячейка — наименьший повторяющийся структурный блок, параллельными переносами которого можно построить всю кристаллическую решетку. Форма и размеры элементарной ячейки (параметры $\text{a}$, $\text{b}$, $\text{c}$ и углы $\alpha$, $\beta$, $\gamma$) определяют симметрию кристалла.

Симметрия является фундаментальной характеристикой кристаллов. Все кристаллы по типу симметрии их решеток делятся на 7 сингоний (кристаллических систем): триклинную, моноклинную, ромбическую, тетрагональную, тригональную, гексагональную и кубическую.

Знания о кристаллической структуре позволяют предсказывать и объяснять важнейшие свойства материалов: механическую прочность, электропроводность, оптические эффекты, температуру плавления. Кристаллография находит применение в материаловедении, химии, минералогии, геологии и биологии (например, при изучении структуры белков и ДНК).

Ответ: Кристаллография — это научная дисциплина, которая занимается изучением строения, свойств и образования кристаллов. Она основывается на понятии кристаллической решетки и элементарной ячейки, а классификация кристаллов происходит на основе их симметрии по семи сингониям. Эта наука имеет фундаментальное значение для понимания свойств твердых тел и широко применяется в различных областях, от материаловедения до биологии.

Рентгенография

Рентгенография, или рентгеноструктурный анализ, — это основной экспериментальный метод определения атомной структуры вещества в кристаллическом состоянии. Метод основан на явлении дифракции (рассеяния) рентгеновских лучей на трёхмерной кристаллической решётке.

Поскольку длина волны рентгеновского излучения (порядка 0.1 нм) соизмерима с межатомными расстояниями в кристаллах, кристаллическая решетка действует как естественная дифракционная решетка. Когда пучок рентгеновских лучей падает на кристалл, лучи, отраженные от разных атомных плоскостей, интерферируют друг с другом. Условие конструктивной интерференции (усиления отраженного пучка) описывается законом Вульфа — Брэггов:

$2d \sin\theta = n\lambda$

где $\text{d}$ — межплоскостное расстояние (расстояние между соседними атомными плоскостями), $\theta$ — угол скольжения (угол между падающим лучом и кристаллографической плоскостью), $\lambda$ — длина волны рентгеновского излучения, а $\text{n}$ — целое число, называемое порядком дифракции.

Экспериментально измеряют углы $\theta$ и интенсивности дифрагированных лучей. Анализ полученной дифракционной картины (совокупности пятен на детекторе) позволяет вычислить параметры элементарной ячейки (через $\text{d}$), а по интенсивностям — определить расположение атомов внутри неё. Именно с помощью рентгеноструктурного анализа была определена структура таких важных молекул, как ДНК (Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик) и гемоглобин.

Ответ: Рентгенография (рентгеноструктурный анализ) — это метод исследования структуры кристаллов, основанный на дифракции рентгеновских лучей на их атомной решетке. Условия дифракции описываются законом Вульфа — Брэггов. Анализируя полученную дифракционную картину, можно с высокой точностью определить параметры кристаллической решетки и координаты атомов в ней, что позволяет устанавливать строение самых сложных молекул.

Электронная микроскопия

Электронная микроскопия — это совокупность методов исследования микроструктуры объектов с помощью пучка электронов. Главное преимущество электронных микроскопов перед световыми — значительно более высокая разрешающая способность. Это связано с тем, что, согласно гипотезе де Бройля, движущиеся электроны обладают волновыми свойствами, и длина их волны $\lambda$ может быть на несколько порядков меньше длины волны видимого света.

Существует два основных типа электронных микроскопов:

1. Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ, или TEM). В нём пучок электронов проходит сквозь очень тонкий образец. Часть электронов рассеивается, часть проходит без отклонения. Электромагнитные линзы фокусируют прошедший пучок и создают увеличенное изображение внутренней структуры образца на флуоресцентном экране или цифровом детекторе. ПЭМ позволяет получать изображения с разрешением до долей ангстрема, что даёт возможность видеть отдельные атомы.

2. Сканирующий (растровый) электронный микроскоп (СЭМ, или SEM). В этом приборе тонко сфокусированный пучок электронов последовательно обегает (сканирует) поверхность образца. Взаимодействие электронов с поверхностью вызывает эмиссию вторичных и отражение упруго рассеянных электронов. Детекторы регистрируют эти электроны, и интенсивность сигнала в каждой точке используется для построения изображения. СЭМ создаёт объемные на вид изображения поверхности с большой глубиной резкости.

Электронная микроскопия незаменима в нанотехнологиях, материаловедении, биологии и медицине для изучения клеток, вирусов, дефектов кристаллической структуры, поверхностей материалов и многого другого.

Ответ: Электронная микроскопия — это метод получения изображений с высоким разрешением с использованием пучка электронов вместо света. Благодаря малой длине волны электронов достигается разрешение, позволяющее видеть даже отдельные атомы. Основные типы — просвечивающий (ПЭМ), изучающий внутреннюю структуру тонких срезов, и сканирующий (СЭМ), дающий объемное изображение поверхности объекта.