Diffraktion och interferens

Nästa post* i serien om de båda Natureartiklarna handlar om diffraktion, och speciellt om hur man kan använda diffraktion för att få fram strukturen hos en kristall.

Diffraktion betyder böjning av vågor och är något som händer när ljusvågor stöter emot ett hinder, som t.ex. en liten spalt, ett hårstrå eller går in i ett material med annat brytningsindex. Att olika våglängder böjs olika mycket ger upphov till det färgade mönster som syns när ljus träffas en CD-skiva. Om ljus faller in mot en liten öppning så kommer det att böjas runt kanten på öppningen. 

Interferens av två vågor i fas och helt
ur fas. Bild från Wikipedia.

Interferens är när två vågor summeras. Om vågorna är i fas ger de en högre resulterande våg. Om de har samma våglängd och är helt ur fas kan de släcka ut varandra.

Diffraktions- och interferensmönster i
dubbelspalt. Bild från Wikipedia.

Samverkan mellan interferens och diffraktion ger upphov till de mönster som syns i t.ex. ett dubbelspaltexperiment. Ljus från den ena spalten släcker ut ljuset från den andra i vissa riktningar och förstärker det i andra.

Braggspridning i två kristallplan.
Bild från Wikipedia.

I en kristall sitter atomerna ordnade i ett bestämt mönster som upprepas om och om igen. När man tittar in i kristallen från olika riktningar ser atomerna ut att vara ordnade i plan, ungefär som när man ser gravstenar på rad på militärkyrkogårdar. När ljus träffar en kristall kommer en del av ljuset att studsa mot det första atomplanet. En del tränger igenom det första kristallplanet och studsar mot det andra. Ytterligare en del studsar mot det tredje, o.s.v. Ljuset som reflekteras från de olika planen kommer att interferera och släcka ut varandra om inte skillnaden i sträcka mellan plan n och plan n+1 är exakt en multipel av en våglängd. Det här kallas för Braggs lag efter William Henry Bragg och William Lawrence Bragg som fick Nobelpriset för sina studier av kristallstrukturer.

Exempel på diffraktionsmönster
från olika kristallstrukturer.
Bild från Penn State.

Skillnaden i väglängd är beroende av vinkeln ljuset sprids i och på avståndet mellan planen. Man kommer alltså att se spritt ljus bara i vissa speciella vinklar från varje kombination av kristallplan. Genom att studera i vilka riktningar ljuset sprids kan man beräkna hur kristallstrukturen ser ut.

Men, eftersom avståndet mellan atomplanen är väldigt litet och det krävs att våglängder är ungefär den samma som avståndet mellan planen fungerar det inte att använda synligt ljus för att undersöka kristallstrukturer. Istället får man använda röntgenljus med en våglängd mindre än en nanometer.

* Lite senare än beräknat, men jag får skylla på att det kändes högre prioriterat att svara på en granskningsrapport.