Aihe: Kristallitila silikaattimateriaalit. Kiteisten aineiden rakenteen tutkimusmenetelmät. Ioni-kovalenttisten rakenteiden rakentamisen perussäännöt.

Luento numero 4.

1. Silikaatit kiteisessä tilassa.

2. Menetelmät kiteisten aineiden rakenteen tutkimiseksi.a

3. Ioni-kovalenttisten rakenteiden rakentamisen perussäännöt.

DTA - differentiaalinen lämpöanalyysi

TG - termogravimetrinen analyysi

Diffraktiomenetelmiä rakenteen tutkimiseksi ovat röntgendiffraktio, elektronidiffraktio ja neutronidiffraktio. Menetelmät perustuvat säteilyn käyttöön, jonka aallonpituus on verrannollinen etäisyyden kanssa rakennuspalikoita kiteitä. Kulkiessaan kiteen läpi säteet taipuvat, esiintuleva diffraktiokuvio vastaa tiukasti tutkittavan aineen rakennetta.

Diffraktiomenetelmä röntgensäteilyä .

Röntgendiffraktioanalyysin kehitys alkoi M. Lauen (1912) kuuluisalla kokeella, joka osoitti, että läpi kulkeva röntgensäde
kiteen läpi, kokee diffraktiota ja symmetriajakaumia diffraktiohuiput vastaa symmetriaa
kristalli. Diffraktiomaksimit näkyvät kaikkiin suuntiin, mikä vastaa röntgendiffraktioanalyysin peruslakia - Wolf a - Bragg -yhtälöä

Diffraktiomenetelmät voidaan jakaa ehdollisesti kahteen ryhmään: 1) säteen tulokulma kiteeseen on vakio, kun taas säteilyn pituus vaihtelee; 2) aallonpituus on vakio, mutta tulokulma vaihtelee.

Ensimmäisen ryhmän menetelmiin kuuluu Laue-menetelmä, joka koostuu siitä, että polykromaattista röntgensäteilyä suunnataan kiinteään yksikiteeseen, jonka takana on valokuvafilmi. Monista polykromaattisessa säteilyssä käytettävissä olevista aallonpituuksista tulee aina olemaan aalto, joka täyttää Wulff-Brrg-yhtälön ehdot. Lauen menetelmä mahdollistaa kiteen symmetrian paljastamisen. Toisen ryhmän menetelmät sisältävät yksittäiskiteen ja monikiteisen näytteen kiertomenetelmät. Yksikidekiertomenetelmässä
monokromaattinen säde suunnataan yksikiteeseen, joka pyörii säteen suuntaan nähden normaalin akselin ympäri. Tällöin eri kidetasot putoavat diffraktioolosuhteita vastaaviin paikkoihin, mikä johtaa vastaavan diffraktiokuvion muodostumiseen. Mittaamalla integroitu intensiteetti ja määrittämällä rakenteellisten amplitudien joukko, voidaan tulkita kiderakenne.

Monikiteisiä materiaaleja tutkittaessa näyte valaistaan ​​monokromaattisella säteilyllä. Mielivaltaisesti orientoituneiden kiteiden joukossa on aina yksi, jonka orientaatio vastaa Wulf-Braggin yhtälöä. Heijastunut säde tallennetaan fotomenetelmällä (kuva 2) tai ionisaatiolla tai tuikelaskimet, signaali syötetään vahvistimien ja laskurien järjestelmän kautta potentiometriin, joka tallentaa intensiteetin jakautumiskäyrän (kuva 3). Diffraktiomaksimien sijaintia käytetään päätettäessä hilan geometriasta ja niiden intensiteetistä elektronitiheyden jakautumista eli todennäköisyyttä löytää elektroneja tietystä pisteestä kiteessa (kuva 4). Elektronitiheysjakauma mahdollistaa paitsi atomien sijainnin hilassa, myös kemiallisen sidoksen tyypin määrittämisen. Korkean lämpötilan kiinnitykset diffraktometreihin mahdollistavat polymorfisten muutosten tallentamisen kuumennettaessa ja kiinteän faasin reaktioiden tarkkailun.

Röntgendiffraktio mahdollistaa myös kiteiden vikojen tutkimisen.

palkki uloskäynti; 4 - pienten kulmien alue 9

Riisi. 2. Monikiteisten näytteiden röntgendiffraktiokuvioiden kuvaaminen valokuvarekisteröinnillä:

Riisi. Kuva 3. Kvartsin röntgendiffraktiokuvio, joka on saatu tuiketallennusmenetelmällä.

Elektronidiffraktiomenetelmä (elektronografia). Menetelmä perustuu siihen, että kun ollaan vuorovaikutuksessa sähköstaattinen kenttä atomeja, elektronisuihku on hajallaan. Toisin kuin röntgensäteet, elektronisäteily voi tunkeutua vain matalaan syvyyteen, joten tutkittavien näytteiden tulee olla ohuita kalvoja. Elektronidiffraktion avulla voidaan kiteessä olevien tasojen välisten etäisyyksien määrittämisen lisäksi tutkia valoatomien sijaintia hilassa, mitä ei voida tehdä röntgensäteillä, jotka ovat heikosti valoatomien hajoamista.

Neutronidiffraktiomenetelmä. Neutronisäteen saamiseksi tarvitaan siis atomireaktori tätä menetelmää käytetty suhteellisen harvoin. Reaktorista poistuttaessa säde vaimenee merkittävästi, joten leveää sädettä on käytettävä ja näytekokoa suurennetaan vastaavasti. Menetelmän etuna on kyky määrittää vetyatomien spatiaalinen sijainti, mitä ei voida tehdä muilla diffraktiomenetelmillä.

Riisi. 4. Kiteen elektronitiheysjakauma (o) ja rakenne (b). kovalenttisidos(timantti)

Diffraktio on aaltoilmiö, se havaitaan aaltojen etenemisen aikana erilainen luonne: valon diffraktio, ääniaallot, aallot nestepinnalla jne. Diffraktio hiukkasten sironnassa, mitattuna klassinen fysiikka, on mahdotonta.

Kvanttimekaniikka on poistanut absoluuttisen rajan aallon ja hiukkasen välillä. Mikroobjektien käyttäytymistä kuvaavan kvanttimekaniikan pääasento on aalto-partikkeli-kaksoisisuus eli aalto-hiukkas-kaksoisisuus eli aalto-hiukkanen. kaksinainen luonne mikrohiukkasia. Näin ollen elektronien käyttäytymistä joissakin ilmiöissä voidaan kuvata hiukkasia koskevien käsitysten perusteella, kun taas toisissa, erityisesti diffraktioilmiöissä, vain aaltoja koskevien käsitysten perusteella. Ajatus "aineaalloista" esitettiin ranskalainen fyysikko L. de Broglie vuonna 1924, ja se vahvistettiin pian hiukkasdiffraktiokokeissa. torjunta-aineen röntgendiffraktioreaktio

Mukaan kvanttimekaniikka, vapaa liikkuvuus hiukkasia, joiden massa on m ja liikemäärä

(jossa V on hiukkasen nopeus) voidaan esittää tasomaisena monokromaattisena aaltona y 0 (de Broglie-aalto), jonka aallonpituus

etenee samaan suuntaan (esimerkiksi x-akselin suuntaan), jossa hiukkanen liikkuu. Tässä h on Planckin vakio. Y 0:n riippuvuus x-koordinaatista saadaan kaavalla

y 0 ~ cos (k 0 x) (2)

missä k 0 = |k 0 | = 2p/l on ns. aaltoluku ja aaltovektori suunnattu aallon etenemissuuntaan tai hiukkasen liikettä pitkin.

Siten vapaasti liikkuvaan mikropartikkeliin liittyvän monokromaattisen aallon aaltovektori on verrannollinen sen liikemäärään tai kääntäen verrannollinen aallonpituuteen.

Kun hiukkanen on vuorovaikutuksessa jonkin kohteen kanssa - kiteen, molekyylin ja vastaavien kanssa - sen energia muuttuu: tämän vuorovaikutuksen potentiaalinen energia lisätään siihen, mikä johtaa muutokseen hiukkasen liikkeessä. Vastaavasti hiukkaseen liittyvän aallon etenemisen luonne muuttuu, ja tämä tapahtuu kaikille aaltoilmiöille yhteisten periaatteiden mukaisesti. Siksi hiukkasdiffraktion geometriset perussäännöt eivät eroa millään tavalla minkään aallon diffraktiosäännönmukaisuuksista. Yleiskunto minkä tahansa luonteisten aaltojen diffraktio on tulevan aallonpituuden l yhteensopivuus sirontakeskipisteiden välisen etäisyyden d kanssa: l Ј d.

Kiteillä on korkea tutkinto järjestys. Niissä olevat atomit sijaitsevat kolmiulotteisesti jaksollisessa kidehilassa, eli ne muodostavat avaruudellisen diffraktiohilan vastaaville aallonpituuksille. Aaltojen diffraktio tällaisessa hilassa tapahtuu sironnan seurauksena rinnakkaisten kristallografisten tasojen järjestelmissä, joissa sirontakeskukset sijaitsevat tiukassa järjestyksessä.

Suuremmilla kiihtyvillä sähköjännitteillä (kymmeniä kV) elektronit saavat riittävän jännitteen kineettinen energia tunkeutua ohuiden ainekalvojen läpi Sitten tapahtuu ns. nopeiden elektronien diffraktio kulkureitillä.

Kevyillä atomeilla ja molekyyleillä (H, H2, He) ja satojen Kelvin-asteiden lämpötiloilla aallonpituus l on myös noin 1 A. Diffraktoivat atomit tai molekyylit eivät käytännössä tunkeudu syvälle kiteen; siksi voidaan olettaa, että niiden diffraktio tapahtuu sirottaessa kiteen pinnalta, eli kuten tasaisella diffraktiohilassa.

Suonesta vapautuva ja kalvojen avulla muodostettu molekyyli- tai atomisäde suunnataan kiteen ja tavalla tai toisella "heijastuneet" diffraktiosäteet kiinnitetään.

Myöhemmin havaittiin protonidiffraktio sekä neutronidiffraktio, joka yleistyi yhtenä aineen rakenteen tutkimisen menetelmistä. Joten kokeellisesti todistettiin, että aaltoominaisuudet ovat luontaisia ​​poikkeuksetta kaikille mikrohiukkasille.

AT laajassa mielessä sanojen diffraktiosironta tapahtuu aina erilaisten elastisessa sironnassa alkuainehiukkasia atomit ja atomiytimet, sekä toisiaan. Toisaalta ajatus aineen korpuskulaarisesta-aaltodualismista vahvistui tyypillisesti aaltomaisina aina pidettyjen ilmiöiden analysoinnissa, esimerkiksi röntgensäteiden diffraktio - lyhyt elektromagneettiset aallot aallonpituudella l " 0,5-5 E. Samanaikaisesti alkuperäiset ja hajallaan olevat röntgensäteet voidaan tarkastella ja tallentaa hiukkasvirtana - fotonit, jotka määrittävät röntgenfotonien lukumäärän näissä säteissä fotonilaskureilla .

On syytä korostaa, että aalto-ominaisuudet ovat luontaisia ​​jokaiselle hiukkaselle erikseen. Diffraktiokuvion muodostuminen hiukkasten sironnan yhteydessä tulkitaan kvanttimekaniikassa seuraavasti. Kiteen läpi kulkenut elektroni poikkeaa vuorovaikutuksesta näytteen kidehilan kanssa alkuperäisestä liikkeestään ja osuu tiettyyn pisteeseen kiteen taakse asennetulla valokuvalevyllä tallentaakseen elektroneja. Valokuvausemulsioon joutuessaan elektroni ilmenee hiukkasena ja aiheuttaa fotokemiallinen reaktio. Ensi silmäyksellä elektronin osuma levyn yhteen tai toiseen kohtaan on täysin mielivaltainen. Mutta pitkällä altistuksella kiteen läpi kulkeneiden elektronien jakautumiseen ilmaantuu vähitellen järjestetty diffraktiomaksimien ja minimien kuvio.

On mahdotonta ennustaa tarkasti, mihin tietty elektroni osuu valokuvalevyllä, mutta on mahdollista osoittaa sen todennäköisyys, että se osuu tiettyyn kohtaan levyllä sironnan jälkeen. Tämän todennäköisyyden määrää elektronin y aaltofunktio, tarkemmin sanottuna sen moduulin neliö (koska n - monimutkainen toiminto) |y| 2. Kuitenkin, koska todennäköisyys suuret numerot testit toteutetaan luotettavuutena, jossa elektroni kuljetetaan toistuvasti kiteen läpi tai, kuten todellisissa diffraktiokokeissa tapahtuu, valtavan määrän hiukkasia sisältävä elektronisuihku kulkee näytteen läpi, arvo |y| 2 määrittää jo intensiteettijakauman taipuneissa säteissä. Näin ollen tuloksena oleva aaltofunktio elektroni y, joka voidaan laskea tietäen y 0 ja Mahdollinen energia elektronin vuorovaikutus kiteen kanssa antaa Täysi kuvaus diffraktiokokemus tilastollisessa mielessä.

Erilaisten hiukkasten diffraktion spesifisyys. Atomisirontaamplitudi. Diffraktion geometristen periaatteiden yleisyyden vuoksi hiukkasdiffraktioteoria lainasi paljon aiemmin kehitetystä röntgendiffraktioteoriasta. Vuorovaikutusta kuitenkin erilainen hiukkaset - elektronit, neutronit, atomit jne. - aineen kanssa on erilainen fyysinen luonne. Siksi, kun tarkastellaan hiukkasten diffraktiota kiteillä, nesteillä jne. On tärkeää tietää, kuinka eristetty aineatomi hajottaa erilaisia ​​hiukkasia. Juuri hiukkasten sironnassa yksittäisten atomien toimesta ilmenee eri hiukkasten diffraktion spesifisyys.

Minkä tahansa atomijärjestelmän (molekyyli, kide jne.) diffraktio voidaan laskea, kun tiedetään niiden keskusten koordinaatit r i ja atomiamplitudit f i tietyn tyyppisille hiukkasille.

Hiukkasdiffraktion vaikutukset näkyvät selkeimmin kiteiden diffraktiossa. kuitenkin lämpöliikettä Kiteen atomit muuttavat jonkin verran diffraktioolosuhteita, ja taipuneiden säteiden intensiteetti pienenee kulman J kasvaessa kaavassa (6). Hiukkasten diffraktiossa nesteiden, amorfisten kappaleiden tai kaasumolekyylien avulla, joiden järjestys on paljon pienempi kuin kiteisen, havaitaan yleensä useita diffuusi diffraktiomaksimia.

Elektronografia (elektroni- ja ...grafiikasta), menetelmä aineen rakenteen tutkimiseksi, joka perustuu tutkittavan näytteen kiihdytettyjen elektronien siroamiseen. Sitä käytetään kiteiden, amorfisten kappaleiden ja nesteiden, kaasujen ja höyryjen molekyylien atomirakenteen tutkimiseen. Elektronografian fysikaalinen perusta on elektronidiffraktio; kulkiessaan aineen läpi elektroneja, joilla on aallon ominaisuudet, ovat vuorovaikutuksessa atomien kanssa, mikä johtaa erillisten taittuneiden säteiden muodostumiseen. intensiteetti ja alueellinen jakautuminen näistä säteistä ovat tiukasti näytteen atomirakenteen, yksittäisten kiteiden koon ja suunnan sekä muiden rakenteellisten parametrien mukaisia. Elektronien sironta aineessa määräytyy atomien sähköstaattisen potentiaalin mukaan, jonka maksimit kiteessä vastaavat atomiytimien paikkoja.

Elektronidiffraktiotutkimukset suoritetaan vuonna erikoislaitteet- elektronidiffraktio- ja elektronimikroskoopit; tyhjiöolosuhteissa niissä olevia elektroneja kiihdytetään sähkökentällä, fokusoidaan kapeaksi aukkosäteeksi ja näytteen läpi kulkemisen jälkeen muodostuneet säteet joko valokuvataan (elektronidiffraktiokuvioita) tai tallennetaan valosähköisellä laitteella. Riippuen koosta sähköjännite, kiihdyttävät elektronit, erottavat nopeiden elektronien diffraktion (jännite 30-50 keV - 1000 keV tai enemmän) ja hitaiden elektronien diffraktion (jännite useista volteista satoihin volteihin).

Elektronografia kuuluu diffraktioon rakenteellisia menetelmiä(yhdessä röntgenrakenneanalyysin ja neutronidiffraktion kanssa) ja sillä on useita ominaisuuksia. Elektronien verrattoman voimakkaamman vuorovaikutuksen vuoksi aineen kanssa sekä mahdollisuudesta luoda suuriaukkoinen säde elektronidiffraktometriin, altistuminen elektronien diffraktiokuvioiden saamiseksi on yleensä noin sekunti, mikä mahdollistaa rakenteellisten muutosten tutkimisen, kiteytys ja niin edelleen. Toisaalta elektronien voimakas vuorovaikutus aineen kanssa rajoittaa läpikuultavien näytteiden sallitun paksuuden mikronin kymmenesosaan (1000–2000 keV:n jännitteellä maksimipaksuus on useita mikroneja).

Elektronografia mahdollisti lukuisten aineiden atomirakenteiden tutkimisen, jotka ovat olemassa vain hienojakoisessa tilassa. Sillä on myös etu röntgenrakenneanalyysiin verrattuna kevyiden atomien sijainnin määrittämisessä raskaiden atomien läsnä ollessa (tällaisia ​​tutkimuksia on saatavilla neutronidiffraktiomenetelmille, mutta vain kiteille se on merkittävästi suuret koot kuin elektronidiffraktiossa tutkituilla).

Saatujen elektronidiffraktiokuvioiden tyyppi riippuu tutkittavien kohteiden luonteesta. Elektronidiffraktiokuvioita kalvoista, jotka koostuvat kiteistä, joilla on melko tarkka keskinäinen orientaatio tai ohuista yksikidelevyistä muodostuvat pisteet tai täplät (heijastukset), joilla on säännöllinen keskinäinen järjestely. Kun kiteet on suunnattu osittain kalvoissa tietyn lain (tekstuurin) mukaisesti, saadaan heijastuksia kaarien muodossa. Satunnaisesti järjestetyistä kiteistä koostuvien näytteiden elektronidiffraktiokuviot muodostuvat samalla tavalla kuin Debyegrammit tasaisesti mustuneilla ympyröillä, ja liikkuvalle valokuvalevylle kuvattaessa (kinemaattinen kuvaus) - yhdensuuntaiset viivat. Luetellut elektronidiffraktiokuvioiden tyypit saadaan elastisen, pääasiassa yksittäisen sironnan tuloksena (ilman energianvaihtoa kiteen kanssa). Useiden joustamattomien sironnan yhteydessä sekundääriset diffraktiokuvioita syntyy taipuneista säteistä. Tällaisia ​​elektronidiffraktiokuvioita kutsutaan Kikuchin elektronidiffraktiokuvioksi (ne ensimmäisenä hankkineen japanilaisen fyysikon nimen mukaan). Kaasumolekyyleistä peräisin olevat elektronidiffraktiokuviot sisältävät pienen määrän diffuuseja haloja.

Kiderakenteen yksikkökennon ja sen symmetrian määritys perustuu elektronidiffraktiokuvion heijastusten sijainnin mittaamiseen. Tasojen välinen etäisyys d kiteessä määritetään suhteesta:

missä L on etäisyys sirontanäytteestä valokuvalevyyn, l on elektronin de Broglie-aallonpituus, joka määräytyy sen energian perusteella, r on etäisyys heijastuksesta siroamattomien elektronien luomaan keskipisteeseen. Kiteiden atomirakenteen laskentamenetelmät elektronidiffraktiossa ovat samanlaisia ​​kuin röntgensäteissä rakenteellinen analyysi(vain jotkin kertoimet muuttuvat). Heijastusintensiteettien mittaaminen mahdollistaa rakenteellisten amplitudien määrittämisen |Fhkl|. Kiteen sähköstaattisen potentiaalin j(x, y, z) jakauma esitetään Fourier-sarjana. J(x, y, z) maksimiarvot vastaavat atomien paikkoja kiteen yksikkökennon sisällä. Näin ollen j(x, y, z) arvojen laskenta, joka yleensä suoritetaan tietokoneella, mahdollistaa atomien koordinaatit x, y, z, niiden väliset etäisyydet ja muut ominaisuudet.

Monet tuntemattomat atomirakenteet on määritetty elektronidiffraktiomenetelmillä, röntgendiffraktiotiedot suuri numero aineet, mukaan lukien monet ketju- ja sykliset hiilivedyt, jossa vetyatomit, nitriilimolekyylit paikallistettiin ensin siirtymämetallit(Fe, Cr, Ni, W), laaja luokka niobiumin, vanadiinin ja tantaalin oksideja, joissa on vastaavasti N- ja O-atomeja, sekä 2- ja 3-komponenttisia puolijohdeyhdisteitä, savimineraaleja ja kerrosrakenteita. Elektronidiffraktiota voidaan käyttää myös viallisten rakenteiden rakenteen tutkimiseen. Yhdessä elektronimikroskopian kanssa elektronidiffraktiolla on mahdollista tutkia käytettyjen ohuiden kidekalvojen rakenteen täydellisyysastetta. eri aloilla moderni teknologia. Epitaksiprosesseissa on olennaista valvoa alustan pinnan täydellisyyden astetta ennen kalvopinnoitusta, joka suoritetaan Kikuchin elektronidiffraktiokuvioita käyttäen: pienetkin rikkomukset sen rakenteessa johtavat Kikuchi-linjojen tahriintumiseen.

Näiden elektronidiffraktiokuvioiden kunkin pisteen intensiteetin määrää sekä molekyyli kokonaisuutena että sen sisältämät atomit. Rakennetutkimuksissa molekyylikomponentti on tärkeä, kun taas atomikomponenttia pidetään taustana ja mitataan molekyylin intensiteetin suhde kokonaisintensiteettiin elektronidiffraktiokuvion kussakin pisteessä. Näiden tietojen avulla voidaan määrittää jopa 10-20 atomia sisältävien molekyylien rakenteet sekä niiden lämpövärähtelyjen luonne laajalla lämpötila-alueella. Tällä tavalla rakenne monien orgaanisia molekyylejä, halogenidien, oksidien ja muiden yhdisteiden molekyylien rakenteet. Samanlaista menetelmää käytetään analysoimaan lyhyen kantaman järjestyksen atomirakennetta (katso Pitkän kantaman järjestys ja lyhyen kantaman järjestys) amorfisia kappaleita, lasit ja nesteet.

Röntgensäteet, näkymätön säteily, joka pystyy tunkeutumaan, vaikkakin sisään vaihtelevassa määrin, kaikissa aineissa. Edustaa elektromagneettinen säteily aallonpituudella noin 10-8 cm.

Kuten näkyvä valo, Röntgensäteet aiheuttavat valokuvafilmin mustumista. Tällä kiinteistöllä on merkitys lääketieteen, teollisuuden ja tieteellinen tutkimus. Röntgensäteily kuvaa tutkittavan kohteen läpi ja putoaa sen päälle filmiin. sisäinen rakenne. Koska röntgensäteiden läpäisykyky on erilainen erilaisia ​​materiaaleja, objektin osat, jotka ovat sille vähemmän läpinäkyviä, antavat enemmän vaaleat alueet valokuvassa kuin ne, joiden läpi säteily tunkeutuu hyvin. Siten luukudokset ovat vähemmän läpinäkyviä röntgensäteille kuin kudokset, jotka muodostavat ihon ja sisäelimet. Siksi luun röntgenkuvassa se ilmaistaan ​​vaaleampina alueina ja säteilyä läpäisevä murtumakohta voidaan havaita melko helposti. Röntgenkuvausta käytetään myös hammaslääketieteessä hampaiden juurien karieksen ja paiseiden havaitsemiseen sekä teollisuudessa valukappaleiden, muovien ja kumien halkeamien havaitsemiseen.

Röntgensäteitä käytetään kemiassa yhdisteiden analysointiin ja fysiikassa kiteiden rakenteen tutkimiseen. Läpi kulkeva röntgensäde kemiallinen yhdiste, aiheuttaa tunnusomaisen sekundäärisen emission, jonka spektroskooppisen analyysin avulla kemisti voi määrittää yhdisteen koostumuksen. Pudotessaan kiteiselle aineelle kiteen atomit sirottavat röntgensäteen, jolloin valokuvalevylle muodostuu selkeä, säännöllinen täplien ja raitojen kuvio, jonka avulla voidaan määrittää kiteen sisäinen rakenne.

Röntgensäteiden käyttö syövän hoidossa perustuu siihen, että se tappaa syöpäsoluja. Sillä voi kuitenkin olla myös ei-toivottu vaikutus normaaleihin soluihin. Siksi tässä röntgensäteiden käytössä on noudatettava äärimmäistä varovaisuutta.

Röntgensäteilyn löysi saksalainen fyysikko W. Roentgen (1845-1923). Hänen nimensä on ikuistettu johonkin muuhun fyysisiä termejä liittyy tähän säteilyyn: röntgenkuvaa kutsutaan kansainvälinen yksikkö annokset ionisoiva säteily; röntgenlaitteella otettua kuvaa kutsutaan röntgenkuvaksi; Radiologisen lääketieteen alaa, joka käyttää röntgensäteitä sairauksien diagnosointiin ja hoitoon, kutsutaan radiologiaksi.

DIFFRAKTIOMENETELMÄT in-va:n rakenteen tutkimukset, jotka perustuvat sironnan intensiteetin kulmajakauman tutkimukseen tutkitun säteilyn sisäänmenon - röntgensäteen (mukaan lukien synkrotroni), vuon tai Mössbauerin mukaan g -säteilyä. Resp. ja Mössbauerography (katso alla). Kaikissa tapauksissa ensisijainen, useimmiten yksivärinen, säde suunnataan tutkittavaan kohteeseen ja sirontakuvio analysoidaan. Sironnut säteily tallennetaan valokuvallisesti (kuva 1) tai laskurien avulla. Koska säteilyn aallonpituus on tavallisesti korkeintaan 0,2 nm, ts. in-ve (0,1-0,4 nm) välisten etäisyyksien kanssa, tulevan aallon sironta on diffraktiota. Diffraktiolla Kuvassa on periaatteessa mahdollista palauttaa atomi rakenne sisään-in a. Teoria, joka kuvaa elastisen sironnan kuvion yhteyttä tiloihin. sirontakeskusten sijainti on kaikille säteilyille sama. Kuitenkin, koska vuorovaikutus erilaisilla in-tionilla varustetuilla säteilyillä on erilainen fyysinen. luonto, erityinen näkemys ja diffraktion ominaisuudet. maalaukset määritellään erilaisia ​​ominaisuuksia.

Siksi erilaiset diffraktiomenetelmät tarjoavat toisiaan täydentävää tietoa.
Diffraktioteorian perusteet. Tasainen yksivärinen. aalto aallonpituudella l ja aaltoilee k 0 , missä | k 0 | = 2 p/l , voidaan pitää liikemääräisenä hiukkassäteenä R, missä | R| = h/ l ; h - . Amplitudi F-aalto (aallon kanssa k), n:n hajajoukko määritetään yhtälöllä:

missä s = ( k - k 0)/2 p, s = 2sin q/l, 2 q - sirontakulma, f j (s) - atomikerroin tai atomisirontatekijä, eli funktio, joka määrittää sirontaamplitudin eristetty j-th(tai ); rj on sen sädevektori. Samanlainen lauseke voidaan kirjoittaa, jos oletetaan, että tilavuudeltaan V objektilla on jatkuva sirontatiheys r( r):

Atomitekijä f(s) lasketaan samasta f-le:stä; jossa r (r) kuvaa sirontatiheysjakaumaa sisällä. Atomitekijän arvot ovat kullekin säteilytyypille ominaisia. Röntgensäteilyä sirottavat elektronikuoret. Vastaava atomitekijä f p at q = 0 numeerisesti on yhtä suuri kuin luku Z in jos f p ilmaistaan ​​ns. elektroniset yksiköt, eli suhteellisesti. röntgensirontaamplitudin yksikköä yhdellä vapaalla. . Kun sirontakulma kasvaa, fp pienenee (kuva 2). Sironta määräytyy sähköstaattisesti. potentiaalia j (r) (r- etäisyys keskustasta). F e:n atomitekijä liittyy f p:ään suhteella:

missä e on varaus, m on sen massa. Abs. arvot f e (~10 - 8 cm) on paljon suurempi kuin f p (~10 - 11 cm), eli se hajoaa voimakkaammin kuin röntgensäteet; f e pienenee synnin kasvaessa q/l terävämmin kuin f p, mutta f e:n riippuvuus Z:stä on heikompi (kuva 3). ovat hajallaan ytimissä (tekijä f n), ja myös magneettisen vuorovaikutuksen vuoksi. hetket nollasta poikkeavalla magn. hetket (tekijä fnm). Ydinvoimien vaikutussäde on hyvin pieni (~10 - 6 nm), joten f n:n arvot eivät käytännössä riipu q . Lisäksi tekijät f n eivät riipu monotonisesti at:sta. n. Z ja, toisin kuin f p ja f e, voivat olla negatiivisia. arvot.


Riisi. 2. Riippuvuus absoluuttiset arvot röntgensäteiden (1), (2) ja (3) atomitekijät sirontakulmassa q (Pb:lle).

abs:n mukaan. arvo f n ~10 - 12 cm. tarkkoja laskelmia ota huomioon jakauman tai potentiaalin poikkeamat pallomaisesta. ja niin edelleen. atomilämpötilatekijä, joka ottaa huomioon lämpövärähtelyjen vaikutuksen sirontaan. Mössbauerille g - muuta säteilyä kuin sirontaa elektroniset kuoret oliot. roolissa voi olla ytimien resonanssisironta (esim. 57 Fe), jolle havaitaan Mössbauer-ilmiö, jota käytetään . Sirontakerroin f m riippuu aallosta ja tulo- ja haja-aalloista. Objektin sironnan intensiteetti I(s) on verrannollinen amplitudimoduulin neliöön: I(s)~|F(s)| 2. Kokeellisesti on mahdollista määrittää vain moduulit |F(s)| ja muodostaa sirontatiheysfunktio r (r) Sinun on myös tiedettävä vaiheet j (s) jokaiselle s:lle. Siitä huolimatta diffraktiomenetelmien teoria mahdollistaa funktion saamisen mitatusta I:stä (I) r (r), eli määrittää in-in rakenteen. Jossa huippupisteet saatu tutkimuksen aikana.
. on tiukasti määrätty järjestelmä, joten diffraktion aikana muodostuu vain erillisiä sironneita säteitä, joille sironta s on yhtä suuri kuin ns. vastavuoroinen hila H hkl;

H hkl=ha* + kb* + lc*,

missä a* = / W, b* = [сa]/W, с* = / W ; a,b ja c - soluparametrit; W on sen tilavuus, W = (a). Sirontatiheysjakauma sisään alkeissolu edustettuna Fourier-sarjana:

missä h, k, l - ns. Heijastavan tason Millerin indeksit, Fhkl = |Fhkl|exp - vastaava rakenteellinen sironneen säteilyn amplitudi, j hkl on hänen vaiheensa. Rakentaaksesi funktion r (x, y, z) kokeellisesti määritetyillä arvoilla|F hkl | soveltaa menetelmää ja virheitä, atomien välisten etäisyyksien funktion rakentamista ja analysointia, isomorfisten substituutioiden menetelmää, suoria menetelmiä vaiheiden määrittämiseen (ks.). Kokeilun käsittely. tietokoneella olevien tietojen avulla voit palauttaa rakenteen sirontatiheyden jakautumiskarttojen muodossa (kuva 4). Rakenteita tutkitaan luvussa. arr. kautta . Tällä menetelmällä on määritetty yli 100 000 inorg-rakennetta. ja org. . for inorg. käyttämällä erilaista jalostusmenetelmillä (ottaen huomioon absorption korjaukset, atomilämpötilatekijä jne.) on mahdollista palauttaa toiminta r (r) joiden resoluutio on enintään 0,05 nm ja määritä niiden väliset etäisyydet ~10 tarkkuudella- 4 nm.

Riisi. 4. Deuteroidun C 2 N 4 D 4:n kiderakenteen ydintiheyden projektio. Pisteviiva yhdistetty yhdistettynä .

Tämän avulla voit määrittää lämpövaihtelut ja kemian aiheuttamat jakautumisominaisuudet. viestintä jne. Röntgendiffraktioanalyysin avulla on mahdollista tulkita atomirakenteita, to-rykh sisältää tuhansia. Röntgendiffraktiolla tutkitaan myös (röntgetopografiassa), pintakerrosten tutkimusta (röntgenspektrometriassa), ominaisuuksia. ja määrät. monikiteisen faasikoostumuksen määritys. materiaalit (sisään) jne. rakenteen tutkimismenetelmänä on jälkensä. Ominaisuudet: 1) vuorovaikutus. in-va on paljon voimakkaampi kuin röntgensäteillä, joten diffraktiota tapahtuu ohuissa in-va-kerroksissa, joiden paksuus on 1-100 nm; 2) f e riippuu heikommalta kuin f p, mikä helpottaa keuhkojen sijainnin määrittämistä läsnä ollessa. raskas; 3) johtuen siitä, että yleisesti käytettyjen nopeiden, joiden energia on 50-100 keV, aallonpituus on n. 5. 10 - 3 nm, geom. elektronidiffraktiokuvioiden tulkinta on paljon helpompaa. Strukturaalia käytetään laajasti hienojakoisten esineiden tutkimiseen sekä erilaisten tekstuureiden (savi, kalvot jne.) tutkimiseen. Matalaenergiadiffraktio (10-300 eV, l 0,1-0,4 nm) - tehokas menetelmä tutkimus pov-stey: sijainti, niiden lämpövaihtelujen luonne jne. palauttaa kohteen kuvan diffraktiolla. kuvan ja voit tutkia rakennetta 0,2-0,5 nm:n resoluutiolla. Lähteet ovat ydinreaktorit sekä nopeissa että pulssireaktoreissa. Reaktorikanavasta lähtevän säteen spektri on jatkuva Maxwellin nopeusjakauman vuoksi (sen maksimi 100°C:ssa vastaa 0,13 nm:n aallonpituutta). Säteen monokromatisointi suoritetaan eri tavoilla- monokromaattorikiteiden jne. avulla käytetään pääsääntöisesti röntgenrakennetietojen tarkentamiseen ja täydentämiseen. Ei monotonista riippuvuutta f ja from avulla voit määrittää tarkasti keuhkojen sijainnin. Lisäksi samalla elementillä samassa elementissä voi olla hyvin erilaiset f:n ja (siis, f ja y 3.74. 10 - 13 cm, 6,67 . kymmenen - 13 cm). Tämä mahdollistaa sijainnin tutkimisen ja lisätietojen saamisen. tiedot rakenteesta isotooppisubstituutiolla (kuva 4). Magnesiumin tutkimus. vuorovaikutusta magnin kanssa. hetket antaa tietoa magn. . Mössbauer g -säteilylle on ominaista erittäin pieni viivanleveys - n. kymmenen - 8 eV (kun taas röntgenputkien ominaissäteilyn viivanleveys on noin 1 eV). Tämä aiheuttaa korkeaa aikaa ja tilaa. resonanssin ydinsironnan johdonmukaisuus, mikä mahdollistaa erityisesti magn. sähkökenttä ja gradientti ytimien kentät. Menetelmän rajoituksia ovat Mössbauer-lähteiden heikko teho ja pakollinen ytimien läsnäolo kokeessa, jolle havaitaan Mössbauer-ilmiö.

Hajottamisen jälkeen se ei muutu. Tapahtuu niin kutsuttua elastista sirontaa. Diffraktiomenetelmät perustuvat yksinkertaiseen aallonpituuden ja sirontaatomien välisen etäisyyden väliseen suhteeseen.

1. Röntgendiffraktioanalyysi mahdollistaa atomien koordinaatit määrittämisen kolmiulotteinen tila kiteisiä aineita yksinkertaisimmista yhdisteistä monimutkaisiin proteiineihin.
2. Kaasuelektronidiffraktion avulla määritetään kaasuissa olevien vapaiden molekyylien geometria, eli molekyylit, joihin viereiset molekyylit eivät vaikuta, kuten kiteissä.
3. Elektronidiffraktio on menetelmä kiinteiden aineiden rakenteen tutkimiseen.
4. Diffraktiomenetelmä on myös neutronografia, joka perustuu neutronien siroamiseen atomiytimien toimesta, toisin kuin kahdessa ensimmäisessä menetelmässä, joissa käytetään sirontaa elektronikuorille.
5. Heijastunut elektronidiffraktio on kristallografinen menetelmä, jota käytetään pyyhkäisyelektronimikroskoopissa.

Wikimedia Foundation. 2010 .

Katso, mitä "diffraktiomenetelmät" ovat muissa sanakirjoissa:

VA:n rakenteen tutkimukset perustuvat VA:ssa tutkitun röntgensäteilyn (mukaan lukien synkrotroni), elektroni- tai neutronivuon ja Mössbauer g -säteilyn sirontaintensiteetin kulmajakauman tutkimukseen. Resp. erottaa… Chemical Encyclopedia

diffraktiotutkimusmenetelmät- difrakciniai tyrimo metodų statusas T ala chemija apibrėžtis Metodai, pagrįsti spindulių ar dalelių difrakcija. atitikmenys: engl. diffraktiotutkimustekniikat diffraktiotutkimusmenetelmät... Chemijos terminų aiskinamasis žodynas

Artikkelitshalo-hybridimateriaalit dislokaatiodiffraktio koherenttien sironta-alueiden keskimääräisen koon määrittäminen nopeat elektronidiffraktiothitaat elektronien diffraktiotpienkulmaiset neutronien sirontakoherentti alue ... ...

Voidaan jakaa tiedonkeruumenetelmiin ja analyysimenetelmiin kerättyä tietoa. Opintoalasta riippuen aihe ja kohde ovat erilaisia. Spektroskooppiset menetelmät Pääartikkeli: Spektroskooppiset menetelmät Ydinvoima ... ... Wikipedia

Alaosat Mikroskopian ja spektroskopian koetinmenetelmät: atomivoima, pyyhkäisytunnelointi, magneettivoima jne. Pyyhkäisyelektronimikroskooppi Transmissioelektronimikroskooppi, mukaan lukien korkearesoluutioinen luminesenssi ... ... tietosanakirja nanoteknologia

Perustuu vuorovaikutuksen aiheuttaman vaikutuksen mittaukseen. kvantti- tai hiukkasvirran kokonaispäästöllä. Säteilyllä on suunnilleen sama rooli kuin reagoivalla aineella kemiallisia menetelmiä analyysi. mitattu fyysinen. vaikutus on signaali. Tuloksena… … Chemical Encyclopedia

Atomien, ionien, molekyylien järjestely kiteessä. Crystal def. chem. f loylla on oma C. s., jolla on kolmiulotteinen jaksollisuus kristallihila. Termi K. s. käytä termin kiteinen sijasta. raastaa kun on kyse... Fyysinen tietosanakirja

AlaosatMenetelmät nanorakenteiden ja nanomateriaalien elementtien pinnoittamiseen Fysikaaliset menetelmät (laser, elektronisuihku, ioniplasma) nanometrin paksuisten kerrosten pinnoitus Kemiallinen, lämpö- ja sähkökaaripinnoitus kaasufaasista (mukaan lukien ... ... Ensyklopedinen nanoteknologian sanakirja

Termi proteomiikka Termi englannin kielessä proteomics Synonyymit Lyhenteet Aiheeseen liittyvät termit katalyytin aktiivinen kohta, vasta-aine, atomivoimamikroskopia, proteiinit, biologiset moottorit, biologiset nanoobjektit, biosensori, van der Waals… … Ensyklopedinen nanoteknologian sanakirja

Termi proteomi Englanninkielinen termi proteomi Synonyymit Lyhenteet Liittyvät termit vasta-aine, proteiinit, biologiset nanoobjektit, genomi, kapsidi, kinesiini, solu, laserdesorptio- ja ionisaatiomassaspektrometria, matriisi, solunulkoinen,… … Ensyklopedinen nanoteknologian sanakirja

Kirjat

• Tietokoneoptiikan menetelmät. Venäjän federaation puolustusministeriön korppikotka, Volkov Aleksei Vasilievich, Golovashkin Dimitri Lvovich, Doskolovich Leonid Leonidovich. Diffraktiivisten optisten elementtien (DOE) tietokonesynteesin perusteet leveillä toiminnallisuus. Menetelmiä kaavoitetun levyn saamiseksi monimutkaisilla…
• Diffraktio- ja mikroskooppiset menetelmät ja instrumentit nanopartikkelien ja nanomateriaalien analysointiin, Juri Yagodkin. AT opinto-opas harkittu fyysisiä perusteita menetelmät ja laitteet röntgendiffraktioon, elektroni- ja neutronidiffraktioanalyyseihin,in,…