$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
X-Işını kırınımı, malzemelerin atomik ve moleküler yapısını belirlemek için kullanılan bir tekniktir. Katılar, periyodik olarak tekrarlanan mikroskobik bir atom düzenlemesine karşılık gelen kristal bir yapıya sahiptir. Düzlemleri stake ederek, belirli simetriye sahip 3 boyutlu bir yapı oluşturulabilir.
Bu yapısal düzenlemeler, malzemenin fiziksel ve kimyasal özelliklerini belirleyen özel bir paketleme geometrisi ile sonuçlanır. Manyetizasyon, termal iletkenlik veya dövülebilirlik gibi. Malzemelerden x-ışınlarını yansıtmak, yapılarının iç detaylarını ortaya çıkarabilir.
Bu video, bir malzeme üzerindeki x-ışını kırınımının genel ilkelerini ve bu fenomenin laboratuvarda malzemelerin yapısını ve kimyasal bileşimini belirlemek için nasıl kullanıldığını gösterecektir.
Başlamak için, bir kristale daha yakından bakalım. Birkaç angstrom dhkl mesafesi ile periyodik olarak ayrılan düzlemlere yerleştirilmiş atomik kafeslerden oluşur. H, k, l, kristaller içindeki yönleri ve düzlemleri tanımlamak için bir notasyon sistemi oluşturan üç tamsayıdan oluşan bir set olan Miller indeksleridir. Bir kristaldeki en küçük tekrar eden yapıya birim hücre denir. Kafesi oluşturan bir birim hücrenin farklı açıları, alfa, beta, gama ve a, b, c uzunlukları farklı simetrilere yol açacaktır. Yedi kristal sistemi vardır. Kübik, tetragonal, ortorombik, eşkenar dörtgen, monoklinik, triklinik ve altıgen.
Birim hücre parametreleri ile Miller indeksleri arasındaki ilişki her kristal sınıfı için hesaplanabilir. Dalga boyunun elektromanyetik lambdası, kristalin kafesi içindeki düzlemler arasındaki farklarla benzer boyutlara sahip olabilir. Bunlar, x-ışını spektral aralığındaki dalga boylarına karşılık gelir. X-ışını ışık dalgaları bir kristali teta geliş açısında ışınladığında, kristal boyunca yayılırlar ve kırıldıkları kafes noktalarıyla karşılaşırlar. Bragg Yasası, n'nin kırınımın harmonik sırasını temsil eden bir tamsayı olduğu bu parametreleri ilişkilendirir. Belirli bir lambda için, yalnızca belirli açılar teta kırınıma yol açar. Bu, kristal bir yapının eşsiz imzasıdır.
Bir deneyde, numune döndürülür ve saçılan x-ışınlarını toplayan dedektör, bu karakteristik açılara ulaştığında yoğunluktaki zirveleri kaydeder. Daha sonra, Bragg Yasasını karşılayan her açı için kafes aralığı DHKL çıkarılabilir. Birkaç farklı DHKL değerine karşılık gelen çoklu kırınımlı tepe konumları kullanılarak, birim hücrenin parametreleri benzersiz bir şekilde çözülebilir.
Zirvelerin nispi yoğunluğuna iki ana faktör katkıda bulunur. İlk olarak, malzemenin x-ışını ışığını emme yeteneğini ve XRD deneyinin geometrisini içeren yapısal olmayan katkılar vardır. Bunlar, deneysel verilerin sonradan işlenmesinde dikkate alınabilir. İkincisi ve en önemlisi, malzemenin yapısal katkısı XRD'nin nispi yoğunluklarına taşınır. Her kırınım zirvesi, aslında, bir birim hücredeki tüm benzersiz atomlar tarafından kırılan çoklu ışın yollarından saçılan tüm genliklerin toplamıdır. Dağınık ışıklar aynı fazdaysa, yapılandırılmış parazit vardır. Faz dışındalarsa, tahrip olmuş girişim vardır. Bu girişimler, kristalin HKL düzlemlerini temsil eden XRD tepe noktalarının genliğini doğrudan etkiler.
Şimdi bu ilkelerin gerçek bir x-ışını kırınım deneyinde nasıl uygulandığını göreceğiz.
Başlamadan önce XRD cihazını dikkatlice inceleyin ve durumunu ve güvenliğini değerlendirin. XRD kullanıcıları, cihaza erişmeden önce temel radyasyon güvenliği konusunda eğitilmelidir. Ardından numune hazırlamaya devam edin. Bu deneyde, preslenmiş bir pelet şeklinde bir nikel tozu numunesi kullanıyoruz.
Numunenin ince olmaması ve x-ışınlarının zayıflama uzunluğundan en az üç kat daha kalın olması önemlidir. Aşağıdaki prosedürün belirli bir XRD cihazı ve ilgili yazılımı için geçerli olduğunu ve diğer cihazlar kullanıldığında bazı farklılıklar olabileceğini unutmayın.
Numuneyi numune döndürücü aşamasına yükleyin ve numunenin ışınlanmış tarafının numune aşamasına paralel olduğundan emin olarak numuneyi yerine kilitleyin. Cihazın x-ışını ışını boyutunu numune çapına göre ayarlamak için bir maske kullanın. En küçük geliş açısında, ışının numune genişliğinden daha küçük bir ayak izine sahip olması gerekir.
Şimdi edinme parametrelerini seçme zamanı. İlk olarak, XRD taraması için açı aralığını seçin. Tipik olarak, aralık 15 ila 90 derece arasındadır. Ardından, taranan her açıda derece adım boyutunu ve entegrasyon süresini seçin.
Ardından, veri toplamaya devam edin. Taramadan sonra, teta açısının bir fonksiyonu olarak yoğunluğun bir grafiği elde edilir. Bu ilk taramadan, belirli tepe noktalarını seçin ve tepe konumlarını belirleyin.
Alımı tekrarlayın ve bu sefer belirli zirveler etrafında daha dar bir tarama aralığına odaklanın. Daha yüksek çözünürlüklü veriler elde etmek için açı olarak daha küçük bir adım boyutu kullanma. Veri toplama işlemi tamamlandıktan sonra, malzemenin yapısını belirlemek için veriler analiz edilebilir.
Enstrüman yazılımı ve veritabanı kitaplığı kullanılarak, spektrumun her bir zirvesi tanımlanır ve belirli bir kristal düzenleme simetrisi ile ilişkilendirilir. Nikel tozu numunesinin bu özel durumunda, spektrum bir simetriye karşılık gelen bir ilk tepe noktasını gösterir.
İkinci tepe noktası, iki sıfır sıfır simetrisi ile ilişkilidir ve bu böyle devam eder. Daha sonra yazılım, bu özel simetri kombinasyonunun yüz merkezli bir kübik yapıya karşılık geldiğini belirler ve numunenin bir nikel tozu olduğunu tanımlar.
X-ışını kırınımı, malzemelerde kristalografik düzenin varlığını veya yokluğunu belirlemek için standart bir yöntemdir. Genellikle bir kristaldeki iç gerilme ve kusurlar veya kompozit malzemelerdeki çoklu kristalografik fazlar ile ilgili çeşitli diğer yapısal bilgileri elde etmek için kullanılır. XRD tekniği, biyolojide proteinler ve nükleik asitler gibi biyolojik makromoleküllerin yapısını ve uzamsal yönelimini belirlemek için de kullanılır.
Özellikle, DNA'nın çift sarmal yapısı bu şekilde keşfedildi ve 1962'de Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü'ne yol açtı. Minerallerin jeokimyasının madencilik amaçlı veya hatta gezegen araştırmaları için incelenmesi de XRD tekniğini kullanır. Mars toprağının bileşimini analiz etmek için on bilimsel aleti arasında bir XRD dedektörüne sahip olan Mars'taki Rover Curiosity'yi düşünün.
Jove'un x-ışını kırınımına girişini yeni izlediniz. Artık bir katının kristal yapısını ve x-ışını kırınımının ilkelerini anlamalısınız. Malzemelerin yapısını ve kimyasal bileşimini elde etmek için XRD tekniğinin laboratuvarda nasıl kullanıldığını da bilmelisiniz.
İzlediğiniz için teşekkürler!