(Виолетта)
Наш проект представляет собой решение задачи, поставленной образовательным центром
«Сириус» в апрельском кейсе в рамках программы «Уроки настоящего». Ознакомительная информация, предоставлена Курчановским Институтом по теме «Синхротрон».
На лекции Никиты Владимировича Марченкова, мы познакомились с основами технологии, о чем более подробно расскажет Егор.
Дополнительные материалы к проекту и задание были представлены в ВК-сообществе
«Уроки настоящего».
В процессе работы над проектом мы познакомились с интересными статьями, например, «Увидеть всё: что такое синхротрон» и «Как измерить толщину волоса при помощи лазерной указки». А также провели несколько экспериментов на школьном оборудовании. О чем после Егора расскажем мы с Настей.
( Егор )
Итак, «Дифракция и изучение структур материалов в домашних условиях».
Дифракция — это огибание волнами препятствий, приводящее к интерференции и формированию узоров. Явление проявляется в любых волновых процессах, но мы будем говорить только о рентгеновских и световых волнах, которые помогают изучать структуры материалов. Например, радужные переливы на CD возникают из-за дифракции на его периодической поверхности.
Кристаллические тела обладают упорядоченной атомной решёткой, где частицы расположены в строгой геометрической закономерности. Такая периодическая структура действует как естественная дифракционная решётка для волн: когда рентгеновские лучи или электронные пучки проходят через кристалл, они рассеиваются на атомных плоскостях под определёнными углами. Это явление описывается законом Брэгга, который связывает длину волны излучения, расстояние между атомными слоями и угол дифракции.
Для анализа структур используют рентгеновское излучение и синхротроны. Рентген, с малой длиной волны, проникает в кристаллы, формируя дифракционные картины (например, при изучении ДНК).
Синхротронное излучение, более интенсивное, применяют для нанообъектов и динамических процессов. Эти методы лежат в основе создания новых материалов — от лекарств до высокотехнологичных сплавов.
—
Синхротрон — это кольцевой ускоритель заряженных частиц (например, электронов), который разгоняет их до околосветовых скоростей. Он генерирует интенсивное электромагнитное излучение, используемое в научных исследованиях.
Как он работает:
1. В ускорителе Кокрофта-Уолтона генерируется высокое напряжение, используемое на ранних этапах ускорения частиц.
2. Затем в линейном ускорителе электроны предварительно разгоняются и направляются в кольцевой ускоритель.
3. Мощные магниты удерживают их на траектории и продолжают разгон до околосветовых скоростей.
4. При достижении максимальной энергии магниты заставляют электроны терять энергию, испуская излучение в широком спектре — от инфракрасного до рентгеновского.
5. В некоторых установках пучок электронов попадает в мишень для генерации вторичных частиц и дополнительного излучения.
Дополнительные элементы:
— Камера Вильсона регистрирует траектории заряженных частиц.
— В определённых точках, касательных к тороидальной структуре, магнитное поле ослабляется, и пучки излучения выводятся по прямой в исследовательские станции.
—
Понятно, что в условиях школы или дома мы не можем получить доступ к высокоскоростным пучкам электронов, но можем имитировать принцип работы синхротрона с помощью обычного лазера. Более подробно об этом расскажет мой коллега.
( Настя )
явление дифракции возможно изучить в не лабораторных условиях, при помощи лазерной установки и оптической системы.
Для проведения эксперимента, целью которого стало освоение методики изучение структур материалов, наша группа изучила содействующие эксперименту элементы, которые были задействованы далее.
В их числе:
1.дифракционная решетка (период которой равен 0.02 – 50 штрихов на 1мм)
2.лазер красный
3.линза лс2 (линза ступенчатая)
4.держатели магнитные
5.две пластины стекла
6.зажимы для стекла
7.подставка
8.микроскоп электронный с камерой
9.белый лист А4
10.металлическая пластина
Эксперимент включал в себя исследование и сравнение двух объектов: дифракционной решетки и стороннего предмета, коим стало крыло мухи «Чёрная львинка» .
( Виолетта )
Первый этап.
На подставке зафиксировали металлическую пластину, прикрепив к ней два магнитных держателя параллельно друг другу (изображение)
• на первый установили источник лазера;
• на второй дифракционную решетку, линзу лс2.
Направив лазер на линзу с дифракционной решеткой, получили проекцию её элементов. (изображение)
Измерили расстояние между частицами на проекции.
Соотнесли размер, который появляется на дифракции, с теми частицами, которые есть у дифракционной решетки при помощи формул. В результате первого этапа получим значение периода дифракционной решётки, выведенное на экран
(формулы )
Второй этап
Взяли другой объект, заменив дифракционную решетку на крыло мухи. закрепили крыло зажимами , между двумя стеклянными пластинами.
направив лазер на линзу с объектом , получили проекцию его элементов(изображение)
измерили расстояние между частицами на проекции.
соотнесли размер, который появляется на дифракции, с теми частицами, которые есть у крыла при помощи формул(формулы).
В третьем этапе нам предстоит сравнить полученные значения, на их основе сделав выводы.
Заметим, что оба значения периода отличаются друг от друга. Соотнесём наше наблюдение с тем, как разнятся полученные при просвечивании лазером дифракционные картины. Так же пронаблюдаем за объектами с помощью микроскопа и обнаружим, как сильно отличаются размеры промежутков и препятствий относительно друг друга.
Таким образом, мы можем пронаблюдать за взаимосвязью качества дифракционной картины и значения периода, сделав следующее умозаключение: Чем меньше период решётки, тем лучше видна дифракционная картина, т.к. волна сопоставима с препятствиями объекта, что мы видим на примере крыла мухи, где препятствиями являются чешуйки, видные в электронный микроскоп.
В другом случае, чем больше период решётки, тем дифракционная картина хуже, что мы видим на примере первого объекта. Частицы дифракционной решётки не видны даже через микроскоп, а значение периода, по сравнению с периодом препятствий крыла мухи, куда меньше.
вывод:
У нас получилось собрать домашнюю лазерную установку, с помощью которой наша группа исследовала явление дифракции, а так же провела эксперимент, заключавшийся в исследовании структур двух объектов и дальнейшем сопоставлении их друг с другом.
Таким образом, лазерная установка способствует повышению качества информации о дифракционной системе. по данным полученным при помощи её , можно делать выводы о размерах элементов, их плотности и частоты составляющих объекта.
