Дифракційні методи дослідження структури речовини
Вивчення одного з найпоширеніших фізичних явищ – дифракції – призвело до виникнення такого пристрою, як дифракційна ґратка.
Дифракційна ґратка – це оптичний прилад, що є поверхнею, на яку нанесено велику кількість паралельних, рівновіддалених один від одного мікроскопічних штрихів (щілин або виступів). Вже з назви приладу зрозуміло, що він працює за принципом дифракції світла – явища відхилення світла від прямолінійного поширення при зустрічі з перешкодою.
У електромагнітних хвиль, що становлять світло, різний ефект інтерференції, або здатності огинати перешкоди. Проходячи через дифракційну решітку, світлові хвилі огинають перешкоди ґратки (штрихи, щілини або виступи) з різним кутом відхилення. Для кожної довжини хвилі існує свій кут дифракції, і біле світло розкладається штрихами ґратки у спектр, тобто в веселку. До речі, ефект веселки заснований на такому самому принципі, тільки в ролі ґратки – крапельки води.
У природі можна виявити і багато інших природних дифракційних ґраток. Прикладом грубої дифракційної ґрати можна вважати вії. Дивлячись на світ крізь примружені повіки, можна рано чи пізно побачити спектральні лінії. А фізик Джеймс Грегорі, який вперше застосував дифракційну ґратку, використав у цій якості пташине перо. Завдяки дуже тонкій структурі через перо можна пропустити сонячне світло та побачити його розкладання на спектр.
Дифракційні решітки широко застосовуються в різних оптичних пристроях: спектральних приладах для отримання монохроматичного світла (монохроматори, спектрофотометри та ін), як оптичні датчики лінійних і кутових переміщень, для поляризаторів і оптичних фільтрів і навіть у так званих антивідблискових окулярах.
Дифракційні ґратки знайшли своє застосування у багатьох наукових дослідженнях. Наприклад, цей прилад ліг основою рентгеноструктурного аналізу – найпоширенішого методу визначення структури речовини. Цей спосіб полягає у вимірі параметрів кристалічних ґраток за допомогою дифракції рентгенівських променів. Тобто в даному випадку дифракційні ґратки використовуються не для визначення довжини хвилі світла, а для зворотного завдання – знаходження по довжині хвилі постійної решітки (відстані між штрихами).
В даний час широко використовують рентгеноструктурний аналіз біологічних молекул та систем. Так, наприклад, за даними, отриманими цим методом, з кількох можливих хімічних формул пеніциліну була обрана одна. Свого часу цим методом були успішно досліджені такі високополімерні сполуки, як каучук, целюлоза, багато поліамідів і т. д. Саме за допомогою рентгеноструктурного аналізу американець Джеймс Вотсон та англієць Френсіс Крік встановили структуру молекули ДНК (подвійна спіраль), за що й були удостоєні 1962 року Нобелівської премії.
Сьогодні вироби дифракційної оптики застосовуються для наукових досліджень у галузі екології. Наприклад, у складі гіперспектральних камер оцінки якості повітря. З їхньою допомогою визначають склад та стан об`єкта зйомки, фіксуючи спектральні характеристики кожного пікселя на зображенні.
Дифракційна ґратка зробила крок далеко за межі Землі. З її допомогою, наприклад, можна дізнатися про хімічний склад далеких зірок. Світло, що йде від зірки, збирають дзеркалами і спрямовують на ґратку. Таким чином можна дізнатися про всі довжини хвиль спектру, а значить, і хімічні елементи, які їх випромінюють.
