Дифрагционные методы исследования монокристаллов

РЕНТГЕНОАНАЛИЗ  КРИСТАЛЛОВ

РЕНТГЕНОАНАЛИЗ  КРИСТАЛЛОВ – исследование кристаллов с помощью рентгеновского излучения.

Кристаллы являются дифракционной решеткой для рентгеновских  лучей, поэтому рентгеновское излучение, попадая на кристалл, отражается под  определенным дифракционным углом. Излучение может иметь одну длину  волны (монохроматическое излучение) или спектр длин (полихроматическое  или белое излучение). Угол дифракции  и длина волны излучения связаны  постоянным соотношением (уравнение  Вульфа-Брэгга) (см. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ). В это соотношение входит и расстояние между атомными плоскостями. Таким образом, расстояние между атомными плоскостями и, в общем случае, расположение атомов в кристалле можно определить, измеряя дифракционные углы. Для образцов, состоящих из одного кристалла (монокристаллы) и из большого количества кристаллов (поликристаллы), разработаны различные методы анализа.

Рентгеноанализ монокристаллов.

При рентгеноанализе монокристаллов кристалл освещается пучком монохроматического излучения с одной длиной волны или полихроматического излучения со спектром длин волн. Во время съемки кристаллы могут быть неподвижными или движущимися (колебание, вращение).

Метод Лауэ.

В этом методе неподвижный  монокристалл освещается пучком полихроматического (белого) рентгеновского излучения (рис.1), при этом каждая атомная плоскость, характеризующаяся своим специфическим  расстоянием между атомными плоскостями (при постоянном угле падения рентгеновского излучения), отражает лучи определенной длины волны.  

Рис. 1. Схема  съемки лауэграмм

Рентгенограмма, снятая по методу Лауэ, называется лауэграммой. При съемке лауэграммы пучок рентгеновского излучения падает на кристалл и дифрагированное излучение дает на пленке, перпендикулярной первичному пучку, систему пятен, соответствующих отражениям лучей с различной длиной волны от различных плоскостей. Расположение пятен зависит от кристаллической структуры кристалла и его ориентировки по отношению к первичному пучку лучей.

Пятна на лауэграмме образуют эллипсы и гиперболы, проходящие через центр лауэграммы, такое расположение аналогично получаемому при падении луча видимого света на зеркало, расположенное под углом к лучу. Если поставить перпендикулярно падающему лучу экран, на который падает отраженный луч, и поворачивать зеркало относительно оси, лежащей в его плоскости, то луч отраженного света движется по конической поверхности и его пересечение с экраном даст эллипс или гиперболу. При съемке лауэграмм роль зеркала играют атомные плоскости, при этом отражения от атомных плоскостей одной зоны (так называются плоскости, проходящие через одну прямую), дает один эллипс или гиперболу.

По расположению эллипсов и пятен можно определить ориентировку атомных плоскостей относительно поверхности кристалла, для этого  устанавливают образец в определенном положении относительно первичного пучка рентгеновских лучей (например, перпендикулярно), снимают лауэграмму и строят стереографическую проекцию кристалла (круг, внутри которого отмечены проекции нормалей к атомным плоскостям кристалла). Разработаны методы трансформации расположения пятен на лауэграмме, позволяющие определить углы между осью образца и основными кристаллографическими направлениями в кристалле, т.е. определить его ориентировку.

Аналогично рассчитывают лауэграмму, снятую в отраженных рентгеновских лучах – эпиграмму. На такой лауэграмме пятна располагаются по гиперболам. Симметрия в расположении пятен при съемке лауэграмм вдоль кристаллографического направления связана с симметрией расположения атомов.

В методе вращения кристалла съемка ведется в характеристическом рентгеновском излучении и кристалл вращается вокруг оси, перпендикулярной первичному пучку. Пленка располагается на цилиндрической поверхности, ось которой совпадает с осью вращения кристалла. Кристалл в рентгеновской камере устанавливается так, чтобы кристаллографическое направление с высокой плотностью расположения атомов совпадало с осью вращения. Вместо вращения образец можно поворачивать вокруг той же оси в возвратном режиме (метод качания) (рис.2). 

Рис. 2. Схема  съемки рентгенограмм вращения

Рентгенограммы  вращения и качания содержат пятна  вдоль прямых полос, перпендикулярных оси вращения. Вращая кристалл относительно различных осей, можно определить форму и размеры элементарной ячейки. При этом ориентировку кристалла (углы между поверхностью кристалла  и кристаллографическими плоскостями) определяют предварительно методом  Лауэ.

Комбинация метода вращения и метода Лауэ позволяет  определить форму и размеры элементарной ячейки не только для кристаллов кубической системы (ячейка в форме куба), но и для других, где ячейка имеет форму параллелепипеда, в котором длины ребер и осевые углы могут быть различны. В этом случае длины ребер находят снимая рентгенограммы при вращении относительно различных осей, а осевые углы – находя углы поворота кристалла, дающие симметричную лауэграмму.

Рентгенограммы  вращения позволяют определить симметрию  кристалла, например, установить наличие  в кубической элементарной ячейке дополнительных атомов в центре граней или в центрах  куба. Наличие таких атомов определяется по величине периода идентичности (расстояния между атомными плоскостями) в соответствующих  направлениях.

Основная цель рентгеноструктурного анализа монокристаллов – определение кристаллической  структуры, т.е. взаимного расположения атомов одного или нескольких химических элементов в элементарной ячейке и построение пространственной модели элементарной ячейки. 
 

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ – электромагнитное излучение с длинами волн 10^–4 – 10 А (10^–5 – 1 нм).

В 1895 немецкий физик  Рентген, проводя опыты по прохождению  тока между двумя электродами  в вакууме, обнаружил, что экран, покрытый люминесцентным веществом (солью  бария) светится, хотя разрядная трубка закрыта черным картонным экраном  – так было открыто излучение, проникающее через непрозрачные преграды, названное Рентгеном Х-лучами. Было обнаружено, что рентгеновское  излучение, невидимое для человека, поглощается в непрозрачных объектах тем сильнее, чем больше атомный  номер (плотность) преграды, поэтому  рентгеновские лучи легко проходят через мягкие ткани человеческого  тела, но задерживаются костями скелета. Были сконструированы источники  мощных рентгеновских лучей, позволяющие  просвечивать металлические детали и находить в них внутренние дефекты.

Немецкий физик  Лауэ предположил, что рентгеновские  лучи являются таким же электромагнитным излучением, как лучи видимого света, но с меньшей длиной волны и  к ним применимы все законы оптики, в том числе возможна дифракция. В оптике видимого света дифракция  на элементарном уровне может быть представлена как отражение света  от системы штрихов – дифракционной  решетки, происходящее только под определенными  углами, при этом угол отражения  лучей связан с углом падения, расстоянием между штрихами дифракционной  решетки и длиной волны падающего  излучения. Для дифракции нужно, чтобы расстояние между штрихами было примерно равно длине волны  падающего света.

Лауэ предположил, что рентгеновские лучи имеют  длину волны, близкую к расстоянию между отдельными атомами в кристаллах, т.е. атомы в кристалле создают  дифракционную решетку для рентгеновских  лучей. Рентгеновские лучи, направленные на поверхность кристалла, отразились на фотопластинку, как предсказывалось теорией.

Любые изменения  в положении атомов влияют на дифракционную  картину, и, изучая дифракцию рентгеновских  лучей,можно узнать расположение атомов в кристалле и изменение этого расположения при любых физических, химических и механических воздействиях на кристалл.

Сейчас рентгеноанализ используется во многих областях науки и техники, с его помощью узнали расположение атомов в существующих материалах и создали новые материалы с заданными структурой и свойствами. Последние достижения в этой области (наноматериалы, аморфные металлы, композитные материалы) создают поле деятельности для следующих научных поколений.  
 

Ссылки на продолжение : http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2468/РЕНТГЕНОВСКИЙ