Рентгеновские лучи стали столь популярными благодаря своей способности проникать в глубь материала и взаимодействовать с атомами внутри него. Есть два основных типа взаимодействий, дающих информацию о структуре материала: поглощение и рассеяние.
Картина рассеянного излучения содержит сведения о пространственном строении рассеивателя. Когда длина волны несколько меньше размера объекта, на котором идет рассеяние, изображение получается лучше всего. Поэтому для определения позиций атомов необходимы волны с длиной в размер атома. Кроме того, поглощение рентгеновских лучей дает широкие возможности для изучения электронной структуры, поскольку энергии рентгеновских лучей очень хорошо соответствуют интервалу энергий, нужному для перевода электронов в валентную зону. Возбужденные электроны сбрасывают энергию. Это флуоресценция – эмиссия фотонов, испускание самих электронов или ионов, что можно регистрировать и по чему можно судить о внутренней электронной структуре.
С самых первых дней своего применения в начале шестидесятых попов синхротронное излучение расширило возможности традиционных способов – рентгеновской дифракции и фотоэлектронной спектроскопии – и породило целый ряд новых методов, без него невозможных. Создается оно позитронами и электронами, вращающимися по круговой орбите в ускорителе элементарных частиц и в миллиарды раз интенсивнее, чем излучение от обычных рентгеновских трубок. Более того, в интересах того или иного эксперимента можно выбирать нужную длину волны. Есть и другие удобства, например, контролируемая поляризация (как линейная, так и круговая), возможность сведения в узкий пучок типа лазерного, импульсная структура. Все это делает синхротронное излучение совершенно уникальным источником рентгеновских лучей.
Синхротроны и накопительные кольца
Создание ультраярких источников рентгеновских лучей – одна из наиболее успешных (и нечасто рассказываемых) историй взаимодействия науки и технологии за последние полвека. Накопительные кольца – «машины», их производящие, – основаны на использовании вакуумной трубки, свернутой в кольцо диаметром в несколько сотен метров. По ней несутся электроны со скоростями, близкими к скорости света, на поворотах они сбрасывают излучение, которое позволяет экспериментаторам просвечивать вещество на атомном уровне.
Пучки лучей, повторяя форму испустившего их пучка электронов, имеют малую площадь и малую расходимость – именно это и делает их очень яркими. Ас помощью ярких пучков можно рассматривать очень малые объекты. Кроме того, чем ярче пучок лучей, тем уже диапазон длин волн, из которых он состоит, а такая избирательность позволяет точнее воздействовать на некоторые молекулы, к примеру, возбуждающиеся от строго определенной энергии.