$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Рентгеновская дифракция — это метод, используемый для определения атомной и молекулярной структуры материалов. Твердые тела имеют кристаллическую структуру, которая соответствует микроскопическому расположению атомов, которое периодически повторяется. Путем разбивки плоскостей можно сформировать трехмерную структуру определенной симметрии.
Такое структурное расположение приводит к определенной геометрии упаковки, которая определяет физические и химические свойства материала. Например, намагниченность, теплопроводность или ковкость. Отражение рентгеновских лучей от материалов может выявить внутренние детали их структуры.
Это видео проиллюстрирует общие принципы рентгеновской дифракции на материале и то, как это явление используется в лаборатории для определения структуры и химического состава материалов.
Для начала давайте поближе познакомимся с кристаллом. Он образован из атомных решеток, расположенных в плоскостях, периодически разделенных расстоянием в несколько ангстремов. H, k, l — индексы Миллера, набор из трех целых чисел, составляющих систему обозначений для идентификации направлений и плоскостей внутри кристаллов. Самая маленькая повторяющаяся структура в кристалле называется элементарной ячейкой. Различные углы, альфа, бета, гамма и длины a, b, c, элементарной ячейки, образующей решетку, приведут к различным симметриям. Существует семь кристаллических систем. Кубический, тетрагональный, орторомбический, ромбоэдрический, моноклинный, триклинный и гексагональный.
Связь между параметрами элементарной ячейки и индексами Миллера может быть рассчитана для каждого класса кристаллов. Электромагнитные лямбда длины волны могут иметь схожие размеры с разницей между плоскостями внутри решетки кристалла. Они соответствуют длинам волн в рентгеновском спектральном диапазоне. Когда рентгеновские световые волны облучают кристалл под углом падения тета, они распространяются через кристалл и сталкиваются с точками решетки, от которых они отслаиваются. Закон Брэгга связывает эти параметры, где n — целое число, представляющее гармонический порядок дифракции. Для данной лямбды только определенные углы тета приводят к дифракции. Это уникальная подпись кристаллической структуры.
В эксперименте образец поворачивается, и детектор, собирающий рассеянные рентгеновские лучи, фиксирует пики интенсивности при достижении этих характерных углов. Затем можно извлечь расстояние между решетками DHKL для каждого угла, удовлетворяющего закону Брэгга. Используя несколько дифрагированных положений пиков, соответствующих нескольким различным значениям DHKL, параметры элементарной ячейки могут быть решены однозначно.
Два основных фактора влияют на относительную интенсивность пиков. Во-первых, есть неструктурные вклады, которые включают в себя способность материала поглощать рентгеновское излучение и геометрию эксперимента XRD. Они могут быть учтены при последующей обработке экспериментальных данных. Во-вторых, и это самое важное, структурный вклад материала переносится на относительную интенсивность дифракции. Каждый дифракционный пик фактически является суммой всех рассеянных амплитуд от нескольких лучевых путей, дифрагированных всеми уникальными атомами в элементарной ячейке. Если рассеянный свет находится в фазе, возникает искусственная интерференция. В то время как если они не в фазе, возникают разрушенные помехи. Эти помехи напрямую влияют на амплитуду пиков дифрактора, представляющих плоскости HKL кристалла.
Теперь мы увидим, как эти принципы применимы в реальном эксперименте по рентгеновской дифракции.
Перед началом работы внимательно осмотрите дифрактометр и оцените его состояние и безопасность. Пользователи дифрактометра должны пройти обучение по основам радиационной безопасности, прежде чем получить доступ к прибору. Затем приступаем к подготовке образца. В этом эксперименте мы используем образец никелевого порошка в виде прессованной гранулы.
Важно, чтобы образец не был тонким и он должен быть как минимум в три раза толще, чем длина затухания рентгеновских лучей. Обратите внимание, что следующая процедура применима к конкретному прибору XRD и связанному с ним программному обеспечению, и при использовании других приборов могут быть некоторые изменения.
Загрузите образец в предметный столик и зафиксируйте образец в нужном положении, убедившись, что облучаемая сторона образца параллельна предметному столику. Используйте маску для регулировки размера рентгеновского луча прибора в соответствии с диаметром образца. При наименьшем угле падения луч должен иметь площадь основания меньше ширины образца.
Теперь пришло время определиться с параметрами приобретения. Во-первых, выберите диапазон углов для сканирования XRD. Как правило, диапазон идет от 15 до 90 градусов. Затем выберите размер шага в градусе, а также время интегрирования под каждым сканируемым углом.
Далее приступаем к сбору данных. После сканирования получается график интенсивности в зависимости от угла к тета. На основе этого первоначального сканирования выберите конкретные пики и определите положения пиков.
Повторите сбор данных и на этот раз сосредоточьтесь на более узком диапазоне сканирования вокруг определенных пиков. Использование меньшего шага по углу для получения данных с более высоким разрешением. После завершения сбора данных данные могут быть проанализированы для определения структуры материала.
С помощью программного обеспечения прибора и библиотеки баз данных каждый пик спектра идентифицируется и связывается с определенной симметрией расположения кристаллов. В данном конкретном случае образца никелевого порошка спектр показывает первый пик, соответствующий симметрии один на один.
Второй пик связан с симметрией двух нулей нуля и так далее. Затем программное обеспечение определяет, что эта конкретная комбинация симметрий соответствует гранноцентрированной кубической структуре, и определяет, что образец представляет собой никелевый порошок.
Рентгеновская дифракция является стандартным методом определения наличия или отсутствия кристаллографического порядка в материалах. Он часто используется для получения разнообразной другой структурной информации о внутренних напряжениях и дефектах в кристалле или множественных кристаллографических фазах в композитных материалах. Метод XRD также используется в биологии для определения структуры и пространственной ориентации биологических макромолекул, таких как белки и нуклеиновые кислоты.
В частности, именно так была открыта структура ДНК с двойной спиралью, что привело к присуждению Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1962 году. При изучении геохимии минералов в горнодобывающих целях или даже для исследования планет также используется метод дифрактометрии. Подумайте о марсоходе Curiosity на Марсе, у которого среди десяти научных инструментов есть детектор XRD для анализа состава марсианского грунта.
Вы только что посмотрели введение Юпитера в рентгеновскую дифракцию. Теперь вы должны понять кристаллическую структуру твердого тела и принципы рентгеновской дифракции. Также следует знать, как используется метод дифрактометра в лаборатории для получения структуры и химического состава материалов.
Спасибо за просмотр!
