تقنيات تشتت الآشعة السينية

نموذج لحيود الأشعة السينية يتشكل عند هجريز الأشعة السينية على مادة بلورية، وهنا حالة البروتين. تتشكل جميع نقطة "تسمى انعكاس" من تداخل متلاحم للأشعة السينية المبعثرة والمارة خلال البلورة.

تقنيات حيود الأشعة السينية هي عائلة من التقنيات التحليلة غير الهدامة التي تعطي معلومات حول البنية البلورية، والهجريب الكيميائي، والحواص الفيزيائية للمواد والطبقات الرقيقة. تعتمد هذه التقنيات على مراقبة تشتت شدة حزمة من الأشعة السينية الساقطة على العينة كتابع لزاوية السقوط والتشتت، والاستقطاب، وطول الموجة أوالقدرة.

المبادئ


المستويات الشبكية في البنية المنتظمة للبلورة		شكل يوضح قانون براگ

الأشعة السينية هي أشعة كهرومغناطيسية ذات طاقات فوتونية في مجال 100 eV إلى 100 keV. وفي تطبيقات الحيود، تستخدم فقط الأشعة السينية ذات الأطوال الموجية القصيرة (الأشعة السينية القاسية) في مجال بضعة أنغسترومات إلى 0.1 أنگستروم (1 keV إلى 120 keV). ولأن طول موجة الأشعة السينية يقارن مع حجم الذرات، فإنها نظريا مناسبة لكي تسبر الترتيب البنيوي للذرات والجزئيات في طيف واسع من المواد. فالأشعة السينية القوية يمكنها اختراق المواد عميقا وتزويدنا بمعلومات عن بنية المادة.

تتفاعل الأشعة السينية بالدرجة الأولى مع الإلكترونات في الذرة. فعندما تصطدم الفوتونات في الأشعة السينية بالإلكترونات، تحيد بعض فوتونات الحزمة الساقطة عن اتجاهها الأصلي. إذا لم يتغير طول موجة الأشعة السينية الساقطة (أي حتى فوتونات الأشعة السينية لم تفقد أي طاقة) تسمى العملية بالتشتت المرن أوتشتت طومسون حيث يتحول زخم الحركة فقط في عملية التشتت. وهذه هي الأشعة السينية التي نقيسها في تجارب الحيود والتي تقدم لنا معلومات عن توزع الإلكترونات في المواد. ومن جهة أخرى، في عملية التشتت غير المرن أوتشتت كومبتون تنقل الأشعة السينية بعض طاقتها إلى الإلكترونات فيكون للأشعة السينية المحادة طول موجة مختلف عن طول موجة الأشعة السينية الساقطة.

تتداخل الأمواج المحادة من الذرات المتنوعة مع بعضها البعض ويتعدل توزع الشدة الناتجة بهذا التآثر. فإذا كانت الذرات مرتبة بانتظام كما في البلورات، فإن الأمواج المحادة ستتكون من تداخل أعظمي (ذُرى) بنفس تناسق توزع الذرات. إذا قياس نموذج الحيود يتيح لنا استنتاج توزع الذرات في المادة. الذرى في صورة الحيود تتعلق مباشرة بالمسافات الذرية. ليكن لدينا شعاع من الأشعة السينية يتفاعل مع الذرات المرتبة بانتظام كما يظهر في الشكل ثنائي الأبعاد المجاور. الذرات الممثلة بنقط خضراء تشكل عدة مستويات في البلورة (الخطوط السوداء في الشكل اليميني). يعهد شرط حدوث الحيود من أجل مجموعة من المستويات الشبكية المتباعدة بمسافة d بقانون براگ:

{\displaystyle n\lambda =2d\sin \theta \!

${\displaystyle \lambda$

ومن الجدير بالذكر أننا استخدمنا الذرات كنقاط تشتت في هذا المثال، إلا حتى قانون براگ يطبق على مراكز التشتت المكونة من أي توزع منتظم للكثافة الإلكترونية. وبكلام آخر، يبقى القانون سليما إذا استبدلت الجزئيات أومجموعة الجزئيات (مثل المكوثرات، والغروانيات، والبروتينات والفيروسات) بالذرات.

تقنيات حيود الأشعة السينية

يمكن إيجاد الشكل الهندسي للجزيء باستخدام الأشعة السينية. وتعتمد تقنيات حيود الأشعة السينية على التشتت المرن للأشعة السينية من البنى التي تتصف بانتظام كاف. ويعطى أفضل وصف تام للحيود من البلورات بنظرية الحركية للحيود.

دراسة البلورات بالأشعة السينية (X-ray Crystallography) هي تقنية تستخدم لإيجاد البنية الكاملة من للمواد البلورية، وتتفاوت من الأجسام غير العضوية البسيطة إلى الجزيئات الضخمة مثل البروتينات.
الحيود بالمسحوق (Powder diffraction) هي تقنية تستخدم لتوصيف البنية البلورية، وحجم البليرات أوالحبيبات البلورية، والتوجه في العينات الصلبة المسحوقة أوعديدة البلورات. يستخدم الحيود بالمسحوق عموما لتحديد المواد المجهولة، بمقارنة معطيات الحيود مع قاعدة البيانات الموجودة في المركز الدولي لبيانات الحيود. والحيود بالمسحوق هي أيضا طريقة لتحديد الإجهادات في المواد البلورية. ويمكن رؤية أحجام البليرات كتوسع في ذروات حيود الأشعة السينية كما يظهر من معادلة شيرر.
حيود الأشعة السينية بورود مماسي (grazing incidence X-ray diffraction) والحيود لفيلم رقيق يمكن استعمال التقنيتين في توصيف البنية البلورية والتوجه لفيلم رقيق.
حيود الأشعة السينية عالية الدقة تستخدم لتوصيف السماكة، والبنية البلورية، والإجهاد في الفيلم التقيلي الرقيق.
تحليل الرسم القطبي للأشعة السينية يمكن من تحليل وتحديد توزع التوجهات البلورية داخل العينة الرقيقة البلورية.
تحليل منحني (X-ray rocking curve analysis) يستخدم لتحديد حجم الحبيبات البلورية والانتشار الفسيفسائي في المواد البلورية.

تقنيات التشتت

التشتت المرن

يمكن دراسة المواد التي لا تتمتع بمدى كبير من الترتيب (شبه بلورية) باستخدام طرق التشتت التي تعتمد على التشتت المرن للأشعة السينية وحيدة اللون.

تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (Small angle X-ray scattering) (SAXS) يسبر البنية بمجال النانومتر إلى الميكرومتر وذلك بقياس شدة التشتت عند زوايا تشتت 2θ قريبة من 0°.
انعكاسية الأشعة السينية هي تقنية تحليلة لتحديد سمك، وخشونة، وكثافة فيلم ذي طبقة وحيدة أوعديدة الطبقات.
تشتت الأشعة السينية بزاوية كبيرة (Wide angle X-ray scattering) (WAXS) هي تقنية هجرز على زوايا التشتت 2θ أكبر من 5°.

التشتت غير المرن

عند إظهار قدرة وزاوية الأشعة السينية المبعثرة المصطدمة صدما غير مرن، يمكن استعمال تقنيات لسبر بنية الحزمة الإلكترونية (electronic band structure) للمواد.

تشتت كمبتون. (Compton scattering)
تشتت رامان للأشعة السينية. (X-ray Raman scattering)
نموذج حيودي للأشعة السينية.
تشتت الأشعة السينية الرنانة غير المرنة (Resonant inelastic X-ray scattering)

المراجع

^ مقدمة لحيودالأشعة السينية من جامعة كاليفورنيا، سانتا بربارا
^ Azároff, L. V. (1974). X-ray diffraction. McGraw-Hill. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)
^ Glatter, O. (1982). . Academic Press. Unknown parameter |coauthors= ignored (|author= suggested) (help)