X-Işınları ve Bragg Kırınımı

Işığın kuantalanmış olduğu
ve ışık kuantumuna bir parçacık gibi bakılabileceği düşüncesi çok yavaş kabul
edildi. Örneğin, kimyacı G.N. Lewis’in ortaya attığı “foton” sözcüğü ancak 1926
da bir terim olarak kabul edildi. Bu konuda en kuvvetli kanıt 1923 de yapılan
Compton deneyi oldu. A.H. Compton ışığın enerji yanı sıra momentum da
taşıyabildiğini ve, diğer parçacıklar gibi, enerji ve momentum korunum
yasalarına uyduğunu gösterdi. Compton deneyinde X-ışınları kullanılmıştı; bu
nedenle, Compton olayına geçmeden önce burada X-ışınlarını kısaca inceleyelim.

X-ışınları dalgaboyları 0,1
– 0,001 nm aralığında,yani görünür ışıktan 1000 kat daha kısa dalgaboylu,
elektromagnetik dalgalardır. Dalgaboyu kısa olduğundan foton enerjileri görünür
ışığa göre daha büyük (binlerce elektron-volt mertebesinde) olur. İlk kez
1985de Roentgen, yüksek enerjili elektronları metal bir hedefe çarpıştırarak
elde ettiği bu ışınların doğasını anlayamadığı için bunlara “X-ışınları” adını
vermişti.

Şekilde modern bir tip
X-ışını aygıtının şeması görülmektedir. Havası boşaltılmış cam bir tüpte iki
elektrot bulunur. Soldaki katot ısıtıldığında elektronlar salınır. Katot ile
anot arasında uygulanan birkaç bin voltluk bir potansiyel farkı elektronların
ivmelenmesine, dolayısıyla birkaç keV enerji kazanmalarına yol açar; bu enerji
0.1c kadar bir hıza karşılık gelir. Elektronlar anoda çarpıp aniden durduğunda
X-ışınları üretilir. X-ışınlarının elektron yoluna 90° açıyla salındığı
gözlenmiştir; bu nedenle katodun eğimli oluşu X-ışınlarının istenilen bir yönde
çıkabilmesini sağlamak içindir.

X-ışınlarının hafif
yoğunlukta katılara kolayca nüfuz edebildiği anlaşılınca, bulunduktan hemen
birkaç ay sonra tıp alanında kullanılmaya başlandılar; ama yapılarının
anlaşılması daha uzun sürdü. İvmelenen bir elektrik yükünün elektromagnetik
dalga yayınladığı daha önce biliniyordu. (Örneğin, bir radyo anteninde yüklerin
salınım hareketi sonucu radyo dalgaları dediğimiz uzun dalga boylu ışınım elde
edilir.) O halde X-ışınlarının da,
elektronların anotta uğradığı büyük frenleme sonucu üretilen elektromagnetik
dalgalar olacağı akla uygun geliyordu. (Bu yolla üretilen ışınıma Bremsstrahlung denir; bu Almanca
sözcüğün anlamı “frenleme radyasyonu” dur.) Burada sorun, dalgaboyları çok
küçük olması beklenen X-ışınlarının dalga olduğunu kanıtlayabilmekti.

Bir şeyin dalga olduğunu
göstermek ve dalgaboyunu ölçmek için herhalde en kestirme yol, onu bir kırınım
ağından geçirip oluşan saçakları gözlemektir. İyi bir kırınım ağında çizgiler
arası uzaklık 1000 nm civarında olmalıdır; ancak, X-ışınlarında kullanılacak
kırınım ağında bu uzaklık 0.1 nm olmalıdır ki bu, deneysel olarak kolay
yapılacak bir iş değildir. 1912 de von Laue şöyle bir düşünce geliştirdi: bir
kristlade atomlar düzenli konumlarda sıralandığında ve sıralar arası uzaklık
0.1 nm mertebesinde olduğuna göre, böyle bir kristal X-ışınları için üç boyutlu
bir kırınımağı olarak kullanılabilirdi. Bu düşüncenin doğru olduğu kısa sürede
anlaşıldı; Laue ve asistanları X-ışınlarının dalga olduğunu ve dalgaboylarının
0.1nm civarında olduğunu kanıtladılar.

Bir kristaldeki atomların
dizilişi birbirine paralel ve özdeş düzlemler oluşturur. Şekilde böyle iki
düzlem grubu gösterilmiştir.

X-ışınları kırınımında
kristallerin kullanımı İngiliz Fizikçileri W.L. Bragg ve babası W.H. Bragg
tarafından geliştirildi; bu nedenle Bragg kırınımı adı verilir. (Veya, Bragg
yansıması, Bragg saçılması olarak da bilinir.) Bu teknik, tarihsel olarak X-ışınlarının tanılanmasında
önemli olduğu kadar, günümüzde de kristal yapıların incelenmesinde önemli bir
yer tutar. Bragg kırınımını anlamak için bir kristali, düzenli aralıklarla
sırlanmış özdeş ve birbirine paralel düzlemler olarak düşünebiliriz. (Şekillere
bakınız.)

Düzlemlere belirli bir θ
açısıyla yaklaşan bir elektromagnetik dalga göz önüne alalım. Dalga kristale
çarptığında her atomdan ışımanın bir bölümü saçılacak, saçılan dalgaların aynı
fazda olduğu doğrultularda kırınım maksimumları gözlenecektir. İlk düzlemden
yansıyan dalgaları göz önüne alalım: saçılan dalgaların aynı fazda olduğu
doğrultu bildiğimiz yansıma kuralıyla verilir:

θ = θ

Sonra, aralarında d uzaklığı olan ardışık iki düzlemdeki
atomlardan saçılan dalgaları göz önüne alalım. İki dalga arasındaki yol farkı
2dsinθ olur. Ardışık ikidüzlemden kırınan dalgaların aynıfazda olabilmesi için
yol farkı λ dalgaboyunun tam katları olmalıdır:

2dsinθ = n λ

Burada n = 1,2,3,… tamsayısı
kırınım maksimumunun derecesi olur. Çoğu deneylerde n > 1 olan maksimumlar
çok zayıftır ve sadece n = 1 önemli olur. Yukarıda yazdığımız bağıntıya Bragg yasası denir.