Лабораторная работа № 1 Рентгеновское излучение. Определение вещества по данным о межслоевых расстояниях. Индицирование рентгенограмм. Определение размера ОКР. 1
Рентгеновский анализ используют для решения широкого спектра материаловедческих задач. Этим методом можно определять: - состояния твердого тела (кристаллическое, аморфное, аморфное с кристаллическими включениями); - качественный и количественный фазовый состав многокомпонентных веществ, - параметры элементарной ячейки неизвестного вещества; - степень текстуры образцов, - изучать и контролировать процессы термообработки металлов и сплавов, исследовать фазовые переходы; - расшифровывать структуры сложных кристаллических материалов, - изучать тонкую структуру кристаллитов. - оценивать степень упругой и пластической деформации без разрушения образца, 2
Природа рентгеновского излучения Рентгеновские лучи – это электромагнитное ионизирующее излучение, занимающее спектральную область между гамма - и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн 10^-3 – 100 нм (от 10^-12 до 10^-5 см). Энергетический диапазон от 100 э. В до 0, 1 Мэ. В. Рентгеновские лучи с длиной волны: λ <0, 2 нм - называются жёсткими, λ >0, 2 нм - мягкими рентгеновскими лучами. В зависимости от механизма возникновения рентгеновских лучей их спектры могут быть: непрерывными (тормозными) линейчатыми (характеристическими). Возникновение и свойства рентгеновского излучения. Источником рентгеновских лучей является рентгеновская трубка, в которой есть два электрода – катод и анод. При нагреве катода происходит электронная эмиссия, электроны, вылетающие из катода, ускоряются электрическим полем и ударяются о поверхность анода. Электроны на аноде переходят в возбужденное состояние и выходя из этого состояния они излучают кванты энергии в виде рентгеновского излучения. 3
Устройство для получения рентгеновских лучей Рис. 1. Схема рентгеновской трубки для структурного анализа: 1 — металлический анодный стакан (обычно заземляется); 2 — окна из бериллия для выхода рентгеновского излучения; 3 —термоэмиссионный катод (вольфрамовая нить); 4—стеклянная колба, изолирующая анодную часть трубки от катодной; 5 — выводы катода, к которым подводится напряжение накала, а также высокое (относительно анода) напряжение; 6 —электростатическая система фокусировки электронов; 7 — анод (антикатод); 4 8 — патрубки для ввода и вывода проточной воды, охлаждающей анодный стакан.
Фокусировкой по Брэггу – Брентано. Рисунок 2 - Геометрическая схема дифрактометра с фокусировкой по Брэггу – Брентано. Одно плечо гониометра задает угол облучения образца рентгеновской трубкой, другое определяет угол брэгговского отражения излучения от образца (детектируемый сигнал). Детектор непрерывно во время движения (при изменении угла θ) регистрирует 5 интенсивность рентгеновского излучения.
Тормозной рентгеновский спектр возникает при торможении заряженных частиц, бомбардирующих мишень. Тормозной рентгеновский спектр – сплошной. Рис. 3. Распределение интенсивности I тормозного излучения по длинам волн λ при различных напряжениях U на рентгеновской трубке. λ min = hc/e. U h —постоянная Планка, с — скорость света, е — заряд бомбардирующей частицы, U— пройденная ею разность потенциалов. 6
Характеристический рентгеновский спектр – линейчатый спектр, возникающий при переходах электронов верхних оболочек атома на более близко расположенные к ядру K-, L-, M-, N – оболочки. ) Рис. 4. Типичный рентгеновский спектр Так, переход электронов с L- на K-оболочку приводит к появлению Кα 1 и Ka 2 - линий, с М- на К — к появлению Kβ линий. При рассмотрении возникновения серий характеристического излучения необходимо учитывать строение энергетических уровней атома. 7
14 типов кристаллических решеток (решеток Браве) 8
Идентификация и количественный анализ фаз (Фазовый анализ) На рисунке показана типичная дифрактограмма образца, состоящего из двух кристаллических фаз и аморфной фазы. Каждой фазе образца соответствуют свои пики дифракции рентгеновского излучения (показаны различными цветами). Идентификация достигается путем нахождения в базе данных таких же рентгеновских пиков, как на дифрактограмме исследуемого образца. По высоте (интенсивности) пиков выполняют количественный 9 анализ кристаллических фаз
Таблица 1 Длины волн λ рентгеновского излучения для различных анодов рентгеновской трубки Анод Рентгеновской трубки λ Кα, Å (без первичного монохроматора) λ Кα 1 , , Å Λ Кα 2 , Å λКβ , Å Cr 2. 29092 2. 2862 2. 29531 2. 08480 Fe 1. 93728 1. 93527. 1. 93991 1. 75653 Co 1. 79021 1. 78892 1. 79728 1. 62075 Ni 1. 62912 1. 65784 1. 66169 1. 50010 Cu 1. 54178 1. 54051 1. 54433 1. 39217 Mo 0. 71069 0. 70926 0. 71354 0. 63255 Ag 0. 56083 0. 55936 0. 56378 0. 49701 10
Закон Вульфа-Брэгга Любое кристаллическое вещество характеризуется определенным набором межплоскостных расстояний d с различными ориентациями плоскостей. Когда монохроматизированный рентгеновский луч с длиной волны λ падает на систему кристаллических плоскостей под углом θ дифракция возникает, только если пути проходимые лучами, отраженными от различных кристаллических плоскостей, различаются на целое число длин волн(когерентное). Это явление описано законом Вульфа-Брэгга: n λ = 2 d Sinθ. 11
Область когерентного рассеяния - это минимальный размер частицы вещества, имеющей правильное кристаллическое строение, на которой рентгеновские лучи рассеиваются когерентно, то есть с постоянной разностью фаз. Рентгенографические методы определения дисперсности (размеров ОКР) основаны на анализе ширины дифракционных линий. Ширина дифракционного максимума определяется на половине его высоты. Причем, нужно иметь в виду, что ширина каждой экспериментальной линии В состоит из двух частей: инструментальной ширины b (ширина линии эталона), зависящей от геометрии съёмки, расходимости пучка, размера фокуса трубки и т. д. , и физического уширения , определяемого факторами несовершенства структуры (дисперсностью, микроискажениями, дефектами упаковки и т. д. ). Эти величины не просто арифметически складываются, а каждый элемент инструментальной линии испытывает физическое уширение, что можно выразить уравнением типа свертки: h(y)= f(y-x)g(x)dx, где: h(y) –результирующая интенсивность в точке y, f(y-x)- кривая распределения физического уширения инструментальной линии (линии эталона), g(x)- интенсивность инструментальной линии в точке х, где х – 12 текущая координата
Определении физического уширения При экспрессном определении физического уширения пользуются аппроксимирующими функциями, которые хорошо себя зарекомендовали во многих работах, такими как функции Гаусса, Коши, Лорентца и др. , которые часто используют для описания профилей различных спектральных линий. Так, если экспериментальная кривая h(x)и эталонная f(x) описываются соответственно функциями Коши , тo в этом случае физическое уширение будет равно =B-b. Если , то в этом случае физическое уширение Если экспериментальная и эталонная кривые описываются кривыми Гаусс , то в этом случае физическое уширение Но более точным способом является подбор аппроксимирующих функций по соответствующим программам. Описание профиля линий функциями Войта – сверткой функций Лоренца (Коши) и Гаусса. (Langford J. I // J. Appl Cryst, 1978, V. 11, p. 10 -14). 13
Формулой Шеррера-Селякова. Найденное таким образом физическое уширение может быть использовано для определения размеров ОКР в направлении, перпендикулярном отражающей плоскости с индексами hkl: Dhkl =n / Cos (3), где: D – размер ОКР в ангстремах, – длина волны излучения, – угол рассеяния, – физическое уширение линии на дифрактограмме в радианах (в шкале 2 ), n – коэффициент, зависящий от формы частицы и близкий к 1. 14
Спасибо за внимание! 15
Скачать презентацию Лабораторная работа 1 Рентгеновское излучение Определение вещества
лаб1.ppt