శాస్త్ర విజ్ఞానము

డైఫ్రాక్షన్ పద్ధతిలో అతి సూక్ష్మమైన దూరాలని గుర్తించొచ్చని క్రిందటి సారి చూశాం. అయితే మనం కొలవదలచుకున్న దూరం (d), మనం వాడిన కిరణాల తరంగదైర్ఘ్యం (-lambda) ఒకే స్థాయిలో ఉంటేనే సరైన diffraction చిత్రాలు ఏర్పడతాయి. ఈ diffraction పద్ధతితో అణువుల పరిమాణాన్ని తెలుసుకోవాలంటే, ఆ అణువుల వ్యాసం ఉన్న స్థాయిలోనే వాడే కిరణాల తరంగదైర్ఘ్యం ఉండాలి. అణువుల వ్యాసం ముఖ్యంగా పరమాణువుల వ్యాసం 1 A (10^(-10) m) స్థాయిలో ఉంటుంది కనుక అంత చిన్న దూరాలని తెలుసుకోవడానికి x-రే లు వాడడం సమంజసంగా ఉంటుంది. X-రే ల తరంగదైర్ఘ్యం 1 A దరిదాపుల్లో ఉంటుంది.



1912 లో జర్మన్ శాస్త్రవేత్త మాక్స్ వాన్ లో (Max von Laue) diffraction ప్రభావాన్ని ఉపయోగించి, x-రే లు వాడి, అణువుల పరిమాణాన్ని తెలుసుకోవచ్చని సూచించాడు. ఒక ఒంటరి అణువు మీద x-రే లు పడ్డప్పుడు అవి నలు దిశలా scatter అవుతాయి. అలా scatter అయిన కిరణాల వల్ల ప్రత్యేకమైన, క్రమబద్ధమైన diffraction చిత్రాలు ఏర్పడవు. అలా కాకుండా ఒక స్ఫటిక (crystal) లో అణువులు క్రమబద్ధమైన, సమాంతర సమతలాలుగా (parallel planes) గా ఏర్పడి వుంటాయి. కింది చిత్రంలో అలాంటి రెండు ఊహా తలాలని చూడొచ్చు. అందులో కిరణం 1 పై తలం మీద పడి, పరావర్తనం చెందుతుంది. కిరణం 2 కింది తలం మీద పడి పరావర్తనం చెందుతుంది. మొదటి కిరణం కన్నా రెండవ కిరణం కాస్త ఎక్కువ దూరం ప్రయాణిస్తుంది కనుక రెండు కిరణాలకి మధ్య ప్రావస్థలో భేదం ఏర్పడుతుంది. అలా పరావర్తనం చెందిన రెండు కిరణాలు ఒక తెర మీద పడ్డప్పుడు diffraction చిత్రాలు ఏర్పడతాయి.






రెండు కిరణాలకి, స్ఫటికలో తలాలకి మధ్య కోణం theta అనుకుంటే రెండవ కిరణం దాటిన అదనపు దూరం 2d sin(theta) అవుతుంది. ఈ రెండు కిరణాలు పడ్డ బిందువు వద్ద తెల్లని చార ఏర్పడాలంటే, రెండు కిరణాల మధ్య అక్కడ constructive interference జరగాలి. అంటే ఈ కింది సూత్రం వర్తించాలి –



2 d sin(theta) = m lambda



పై సూత్రాన్ని బ్రాగ్ నియమం (Bragg’s law) అంటారు. దీన్ని కనిపెట్టింది బ్రిటిష్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త విలియం లారెన్స్ బ్రాగ్. X-రే ల సహాయంతో స్ఫటికల అణువిన్యాసాన్ని తెలుసుకునే రంగంలో గణనీయమైన కృషి చేసినందుకు ఇతడికి, ఇతడి తండ్రి విలియమ్ హెన్రీ బ్రాగ్ కి ఉమ్మడిగా 1915 లో నోబెల్ బహుమతి లభించింది.

పై సూత్రంలో తలాల మధ్య దూరం d కి, అణువుల వ్యాసానికి మధ్య సంబంధం వుంది. ఈ విధంగా x-రే లు ఉపయోగించి, diffraction ప్రభావాన్ని వాడుకుని స్ఫటిక రూపంలో పదార్థాలని పరిశీలించి అందులోని అణువిన్యాసాన్ని అర్థం చేసుకోడానికి వీలయ్యింది. X-రే ల వల్ల జరిగే diffraction కనుక ఈ ప్రభావాన్ని x-రే diffraction అంటారు. X-రేలని ఉపయోగించి స్ఫటికాలని విశ్లేషిస్తారు కనుక ఈ పద్ధతిని X-ray crystallography అంటారు.



X-ray crystallography పద్ధతిలో ముందుగా మనం విశ్లేషించగోరే పదార్థాన్ని స్ఫటిక రూపంలోకి మార్చాలి. చిన్న అణువులు ఉన్న పదార్థాన్ని స్పటికగా మార్చడం కష్టం. కాని పెద్ద అణువులైన, డీ.ఎన్. ఏ., ప్రోటీన్ మొదనలైనవే కాక, ఇంకా పెద్ద “అణువులు” ఐన వరస్ ల విషయంలో స్ఫటికగా మార్చడం (crystallization) ఈ ప్రక్రియలో ఓ ముఖ్యమైన సవాలు అవుతుంది.



స్ఫటికగా మార్చబడ్డ పదార్థాన్ని కింది చిత్రంలో చూపినట్టు ఓ గాజు నాళంలోకి ఎక్కించి దాని మీదకి x-రే లని ప్రసరిస్తారు. స్ఫటిక మీద పడి scatter అయిన కిరణాలు అవతల తెర మీద పడినప్పుడు diffraction చిత్రాలు ఏర్పడతాయి. స్ఫటిక వున్న నాళాన్ని రకరకాల కోణాలలో తిప్పి ప్రతీ కోణం వద్ద diffraction చిత్రాలు తీసుకుంటారు. ఆ విధంగా పలు కోణాల వద్ద తీసుకున్న diffraction చిత్రాలని కలిపి కంప్యూటర్ సహాయంతో స్ఫటికలో అణువుల విన్యాసం ఎలా ఉందో అంచనా వేస్తారు.



x-ray crystallography వినియోగం వల్ల వైరస్ ల పరిమాణం గురించి, ఆకారం గురించి అవగాహన కలిగింది.

(ఇంకా వుంది)