Metodat e difraksionit për studimin e rrjetës kristalore. Metodat për studimin e strukturës së molekulave

Metodat e difraksionit

Metodat e difraksionit për studimin e strukturës së materies bazohen në studimin e shpërndarjes këndore të intensitetit të shpërndarjes nga substanca nën studimin e rrezatimit me rreze X (përfshirë rrezatimin sinkrotron), fluksin elektron ose neutron. Ka radiografi, difraksion elektronik dhe difraksion neutron. Në të gjitha rastet, një rreze parësore, më shpesh monokromatike, drejtohet në objektin në studim dhe analizohet modeli i shpërndarjes. Rrezatimi i shpërndarë regjistrohet në mënyrë fotografike ose duke përdorur numërues. Meqenëse gjatësia e valës së rrezatimit zakonisht nuk është më shumë se 0,2 nm, d.m.th., e krahasueshme me distancat midis atomeve në substancë (0,1-0,4 nm), shpërndarja e valës së rënies është difraksion nga atomet. Bazuar në modelin e difraksionit, është e mundur, në parim, të rindërtohet struktura atomike e një substance. Teoria që përshkruan lidhjen midis modelit të shpërndarjes elastike dhe hapësirës dhe vendndodhjes së qendrave të shpërndarjes është e njëjtë për të gjithë rrezatimet. Megjithatë, meqenëse ndërveprimet e llojeve të ndryshme të rrezatimit me materien kanë veti fizike të ndryshme. natyra, lloji specifik dhe karakteristikat e difraksionit. modelet përcaktohen nga karakteristika të ndryshme të atomeve. Prandaj, metoda të ndryshme difraksioni ofrojnë informacion që plotësojnë njëra-tjetrën.

Bazat e teorisë së difraksionit. Njëngjyrëshe e sheshtë. një valë me një gjatësi vale dhe një vektor vale, ku mund të konsiderohet si një rreze grimcash me momentum, ku amplituda e një valë të shpërndarë nga një koleksion atomesh përcaktohet nga ekuacioni:

E njëjta formulë përdoret për llogaritjen e faktorit atomik, i cili përshkruan shpërndarjen e densitetit të shpërndarjes brenda atomit. Vlerat e faktorit atomik janë specifike për çdo lloj rrezatimi. Rrezet X shpërndahen nga predha elektronike të atomeve. Faktori atomik përkatës është numerikisht i barabartë me numrin e elektroneve në një atom, nëse shprehet në emër të njësive elektronike, domethënë në njësi relative të amplitudës së shpërndarjes së rrezeve X me një elektron të lirë. Shpërndarja e elektroneve përcaktohet nga potenciali elektrostatik i atomit. Faktori atomik për një elektron lidhet me relacionin:

spektroskopia e molekulës kërkimore kuantike e difraksionit

Figura 2 - Varësia e vlerave absolute të faktorëve atomikë të rrezeve X (1), elektroneve (2) dhe neutroneve (3) nga këndi i shpërndarjes

Figura 3 - Varësia relative e faktorëve atomikë mesatarë këndorë të rrezeve X (vijë e ngurtë), elektroneve (vijë e ndërprerë) dhe neutroneve nga numri atomik Z

Llogaritjet e sakta marrin parasysh devijimet e shpërndarjes së densitetit të elektroneve ose potencialit të atomeve nga simetria sferike dhe emri i faktorit të temperaturës atomike, i cili merr parasysh ndikimin e dridhjeve termike të atomeve në shpërndarje. Për rrezatim, përveç shpërndarjes në predha elektronike të atomeve, shpërndarja rezonante në bërthama mund të luajë një rol. Faktori i shpërndarjes f m varet nga vektorët valorë dhe vektorët e polarizimit të valëve rënëse dhe të shpërndara. Intensiteti I(s) i shpërndarjes nga një objekt është proporcional me katrorin e modulit të amplitudës: I(s)~|F(s)| 2. Vetëm modulet |F(s)| mund të përcaktohen eksperimentalisht, dhe për të ndërtuar funksionin e densitetit të shpërndarjes (r) është gjithashtu e nevojshme të njihen fazat (et) për secilën s. Sidoqoftë, teoria e metodave të difraksionit bën të mundur marrjen e funksionit (r) nga I(at) e matur, d.m.th., përcaktimin e strukturës së substancave. Në këtë rast, rezultatet më të mira merren kur studiohen kristalet. Analiza strukturore. Një kristal i vetëm është një sistem rreptësisht i renditur, prandaj, gjatë difraksionit, formohen vetëm rreze diskrete të shpërndara, për të cilat vektori i shpërndarjes është i barabartë me vektorin e rrjetës reciproke.

Për të ndërtuar funksionin (x, y, z) nga vlerat e përcaktuara eksperimentalisht, përdoret metoda e provës dhe gabimit, ndërtimi dhe analiza e funksionit të distancave ndëratomike, metoda e zëvendësimeve izomorfike dhe metoda direkte për përcaktimin e fazave. Përpunimi i të dhënave eksperimentale në një kompjuter bën të mundur rindërtimin e strukturës në formën e hartave të shpërndarjes së densitetit të shpërndarjes. Strukturat kristalore studiohen duke përdorur analizën strukturore me rreze X. Kjo metodë ka përcaktuar më shumë se 100 mijë struktura kristalore.

Për kristalet inorganike, duke përdorur metoda të ndryshme të rafinimit (duke marrë parasysh korrigjimet për thithjen, anizotropinë e faktorit të temperaturës atomike, etj.), Është e mundur të rivendoset funksioni me një rezolucion deri në 0,05

Figura 4 - Projeksioni i densitetit bërthamor të strukturës kristalore

Kjo bën të mundur përcaktimin e anizoterapisë së vibracioneve termike të atomeve, veçorive të shpërndarjes së elektroneve të shkaktuara nga lidhjet kimike etj. Duke përdorur analizën e difraksionit me rreze X, është e mundur të deshifrohen strukturat atomike të kristaleve të proteinave, molekulat e të cilave përmbajnë mijëra atome. Difraksioni i rrezeve X përdoret gjithashtu për të studiuar defektet në kristale (në topografinë me rreze X), për të studiuar shtresat sipërfaqësore (në spektrometrinë me rreze X) dhe për të përcaktuar në mënyrë cilësore dhe sasiore përbërjen fazore të materialeve polikristaline. Difraksioni i elektronit si metodë për studimin e strukturës së kristaleve ka një vijim. veçoritë: 1) bashkëveprimi i materies me elektronet është shumë më i fortë se me rrezet x, prandaj difraksioni ndodh në shtresat e holla të materies me trashësi 1-100 nm; 2) f e varet nga bërthama atomike më pak se f p, gjë që e bën më të lehtë përcaktimin e pozicionit të atomeve të lehta në prani të atyre të rënda; Difraksioni strukturor i elektroneve përdoret gjerësisht për të studiuar objekte të shpërndara imët, si dhe për të studiuar lloje të ndryshme tekstesh (minerale balte, filma gjysmëpërçues, etj.). Difraksioni i elektroneve me energji të ulët (10 -300 eV, 0,1-0,4 nm) është një metodë efektive për studimin e sipërfaqeve kristalore: renditja e atomeve, natyra e dridhjeve të tyre termike, etj. Mikroskopi elektronik rindërton imazhin e një objekti nga modeli i difraksionit dhe ju lejon të studioni strukturën e kristaleve me një rezolucion prej 0,2 -0,5 nm. Burimet e neutroneve për analiza strukturore janë reaktorët bërthamorë me neutrone të shpejta, si dhe reaktorët pulsues. Spektri i rrezes së neutronit që del nga kanali i reaktorit është i vazhdueshëm për shkak të shpërndarjes së shpejtësisë Maxwelliane të neutroneve (maksimumi i tij në 100°C korrespondon me një gjatësi vale prej 0,13 nm).

Monokromatizimi i rrezeve kryhet në mënyra të ndryshme - me ndihmën e kristaleve monokromatike, etj. Difraksioni i neutronit përdoret, si rregull, për të sqaruar dhe plotësuar të dhënat strukturore të rrezeve X. Mungesa e një varësie monotonike të f dhe nga numri atomik lejon që dikush të përcaktojë pozicionin e atomeve të dritës me mjaft saktësi. Për më tepër, izotopet e të njëjtit element mund të kenë vlera shumë të ndryshme të f dhe (për shembull, f dhe hidrokarburet janë 3.74.10 13 cm, për deuterium 6.67.10 13 cm). Kjo bën të mundur studimin e renditjes së izotopeve dhe marrjen e informacionit plotësues. informacion strukturor nga zëvendësimi i izotopit. Studimi i ndërveprimit magnetik. neutronet me momente magnetike të atomeve japin informacion rreth rrotullimeve të atomeve magnetike. Rrezatimi Mössbauer dallohet nga një gjerësi linje jashtëzakonisht e vogël - 10 8 eV (ndërsa gjerësia e linjës së rrezatimit karakteristik të tubave me rreze X është 1 eV). Kjo rezulton në një nivel të lartë kohe dhe hapësire. qëndrueshmëria e shpërndarjes rezonante bërthamore, e cila lejon, në veçanti, të studiojë fushën magnetike dhe gradientin e fushës elektrike në bërthama. Kufizimet e metodës janë fuqia e dobët e burimeve Mössbauer dhe prania e detyrueshme në kristalin në studim të bërthamave për të cilat vërehet efekti Mössbauer. Analiza strukturore e substancave jo kristalore. Molekulat individuale në gaze, lëngje dhe trupa të ngurtë amorfe janë të orientuara ndryshe në hapësirë, kështu që zakonisht është e pamundur të përcaktohen fazat e valëve të shpërndara. Në këto raste, intensiteti i shpërndarjes zakonisht përfaqësohet duke përdorur të ashtuquajturat. vektorët ndëratomikë r jk, të cilët lidhin çifte atomesh të ndryshme (j dhe k) në molekula: r jk = r j - r k. Modeli i shpërndarjes është mesatarisht në të gjitha orientimet:

Në disa raste, veçanërisht në prodhimin e sistemeve optike, rezolucioni nuk kufizohet nga difraksioni, por nga devijimet, të cilat, si rregull, rriten me rritjen e diametrit të lenteve. Nga këtu vjen fenomeni i njohur për fotografët: rritja e cilësisë së imazhit në kufij të caktuar kur lentet ndalohen.

Kur rrezatimi përhapet në media optikisht johomogjene, efektet e difraksionit manifestohen dukshëm kur madhësia e inhomogjeniteteve është e krahasueshme me gjatësinë e valës. Kur madhësia e inhomogjeniteteve tejkalon ndjeshëm gjatësinë e valës (me 3-4 rend të madhësisë ose më shumë), fenomeni i difraksionit, si rregull, mund të neglizhohet. Në rastin e fundit, përhapja e valës përshkruhet me një shkallë të lartë saktësie nga ligjet e optikës gjeometrike. Nga ana tjetër, nëse madhësia e inhomogjeniteteve të mediumit është e krahasueshme me gjatësinë e valës, atëherë difraksioni manifestohet si efekt.

Fillimisht dukuria e difraksionit u interpretua si valë që përkulet rreth një pengese, pra depërtimi i valës në rajonin e hijes gjeometrike. Nga pikëpamja e shkencës moderne, përkufizimi i difraksionit si përkulja e dritës rreth një pengese konsiderohet i pamjaftueshëm (shumë i ngushtë) dhe jo plotësisht i përshtatshëm. Kështu, difraksioni shoqërohet me një gamë shumë të gjerë dukurish që lindin gjatë përhapjes së valëve (nëse merret parasysh kufizimi i tyre hapësinor) në mjedise johomogjene.

Difraksioni i valës mund të shfaqet:

Më i studiuari është difraksioni i elektromagnetik (në veçanti, optik) dhe i valëve, si dhe i valëve (valët në sipërfaqen e një lëngu).

Hollësitë në interpretimin e termit "difraksion"[ | ]

Në fenomenin e difraksionit, një rol të rëndësishëm luhet dimensionet fillestare të rajonit të fushës valore dhe struktura fillestare fushë valore, e cila i nënshtrohet transformimit të rëndësishëm nëse elementet e strukturës së fushës valore janë të krahasueshme me gjatësinë e valës ose më pak se ajo.

Për shembull, një rreze vale e kufizuar në hapësirë ​​ka vetinë të "divergojë" ("shpërndahet") në hapësirë ​​ndërsa përhapet, madje edhe në homogjene mjedisi. Ky fenomen nuk përshkruhet nga ligjet e optikës gjeometrike dhe i referohet fenomeneve të difraksionit (divergjenca e difraksionit, përhapja e difraksionit të rrezes së valës).

Kufizimi fillestar i fushës valore në hapësirë ​​dhe struktura e saj specifike mund të lindin jo vetëm për shkak të pranisë së elementeve thithëse ose reflektuese, por edhe, për shembull, gjatë gjenerimit (gjenerimit, rrezatimit) të një fushe të caktuar valore.

Duhet të theksohet se në mediat në të cilat shpejtësia e valës ndryshon pa probleme (në krahasim me gjatësinë e valës) nga pika në pikë, përhapja e rrezes së valës është lakuar (shih optikën e gradientit, mirazh). Në këtë rast, edhe vala mund shkoni përreth le. Sidoqoftë, përhapja e tillë e valëve lakor mund të përshkruhet duke përdorur ekuacionet e optikës gjeometrike, dhe ky fenomen nuk lidhet me difraksionin.

Në të njëjtën kohë, në shumë raste, difraksioni mund të mos shoqërohet me rrumbullakimin e një pengese (por gjithmonë është për shkak të pranisë së saj). Ky është, për shembull, difraksioni në të ashtuquajturat struktura jo absorbuese (transparente).

Meqenëse, nga njëra anë, fenomeni i difraksionit të dritës doli të ishte i pamundur të shpjegohej nga pikëpamja e modelit të rrezeve, domethënë nga pikëpamja e optikës gjeometrike, dhe nga ana tjetër, difraksioni mori një shpjegim shterues brenda kuadrit të teorisë valore, ka një tendencë për të kuptuar manifestimin e saj si çdo devijim nga ligjet e optikës gjeometrike.

Duhet të theksohet se disa dukuri valore nuk përshkruhen nga ligjet e optikës gjeometrike dhe, në të njëjtën kohë, nuk lidhen me difraksionin. Fenomene të tilla tipike valore përfshijnë, për shembull, rrotullimin e planit të polarizimit të një valë drite në një mjedis optikisht aktiv, i cili nuk është difraksion.

Në të njëjtën kohë, rezultati i vetëm i të ashtuquajturit difraksion kolinear me shndërrim optik mund të jetë pikërisht rrotullimi i rrafshit të polarizimit, ndërsa tufa valore e difraktuar ruan drejtimin fillestar të përhapjes. Ky lloj difraksioni mund të realizohet, për shembull, si difraksioni i dritës me ultratinguj në kristalet birefringente, në të cilat vektorët valorë të valëve optike dhe akustike janë paralel me njëri-tjetrin.

Një shembull tjetër: nga pikëpamja e optikës gjeometrike, është e pamundur të shpjegohen dukuritë që ndodhin në të ashtuquajturat përcjellës valësh të çiftuar, megjithëse këto dukuri gjithashtu nuk klasifikohen si difraksion (dukuri valore të shoqëruara me fusha "që rrjedhin").

Seksioni i optikës "Optika Kristale", i cili merret me anizotropinë optike të një mediumi, gjithashtu ka vetëm një lidhje indirekte me problemin e difraksionit. Në të njëjtën kohë, ai duhet të rregullojë konceptet e optikës gjeometrike të përdorur. Kjo është për shkak të ndryshimit në konceptin e një rreze (si drejtimi i përhapjes së dritës) dhe përhapjes së ballit të valës (d.m.th., drejtimi i normales ndaj saj)

Një devijim nga drejtësia e përhapjes së dritës vërehet gjithashtu në fushat e forta gravitacionale. Është konfirmuar eksperimentalisht se drita që kalon pranë një objekti masiv, për shembull, pranë një ylli, devijohet në fushën e saj gravitacionale drejt yllit. Kështu, në këtë rast mund të flasim për valën e dritës që "përkul" një pengesë. Megjithatë, ky fenomen gjithashtu nuk vlen për difraksionin.

Raste të veçanta të difraksionit[ | ]

Historikisht, në problemin e difraksionit, së pari u morën parasysh dy raste ekstreme të lidhura me kufizimin nga një pengesë (një ekran me një vrimë). valë sferike dhe ishte edhe difraksioni i Fresnelit valë avioni në një çarje ose sistem vrimash - Difraksioni Fraunhofer

Difraksioni i çarjes[ | ]

Shpërndarja e intensitetit të dritës gjatë difraksionit nga një çarje

Si shembull, merrni parasysh modelin e difraksionit që ndodh kur drita kalon nëpër një çarje në një ekran të errët. Ne do të gjejmë intensitetin e dritës në funksion të këndit në këtë rast. Për të shkruar ekuacionin origjinal ne përdorim parimin e Huygens.

Konsideroni një valë të rrafshët monokromatike me amplitudë Ψ ′ (\displaystyle \Psi ^(\prime )) me gjatësi vale λ (\displaystyle \lambda) incidenti në një ekran me gjerësi të çarjes a (\displaystyle a).

Ne do të supozojmë se hendeku është në aeroplan x′ − y′ me qendër në origjinë. Më pas mund të supozohet se difraksioni prodhon një valë ψ që divergon në mënyrë radiale. Larg prerjes, mund të shkruash

(\displaystyle \Psi =\int \limits _(\mathrm (i çarë) )(\frac (i)(r\lambda ))\Psi ^(\prime )e^(-ikr)\,d\mathrm (çarje ) .) le ( , x' ju , 0) është një pikë brenda prerjes mbi të cilën integrojmë. Ne duam të dimë intensitetin në pikën ( x , 0) është një pikë brenda prerjes mbi të cilën integrojmë. Ne duam të dimë intensitetin në pikën (, 0, z). Hendeku ka një madhësi përfundimtare prej drejtim (nga x ′ = − a / 2 (\displaystyle x^(\prime )=-a/2) te+ a / 2 (\displaystyle +a/2) ) dhe infinit në y drejtim ([]).

y ′ = − ∞ , ∞ (\displaystyle y"=-\infty,\infty) Largësia r

r = z (1 + (x − x ′) 2 + y ′ 2 z 2) 1 2 (\displaystyle r=z\left(1+(\frac (\left(x-x^(\prime )\djathtas)^ (2)+y^(\prime 2))(z^(2)))\djathtas)^(\frac (1)(2)))[ | ]

Difraksioni i vrimës[ | ]

Difraksioni i zërit dhe diapazoni tejzanor[ | ]

Grilë difraksioni

Një grilë difraksioni është një pajisje optike që funksionon në parimin e difraksionit të dritës dhe është një koleksion i një numri të madh vijash të ndara rregullisht (slota, zgjatime) të aplikuara në një sipërfaqe të caktuar. Përshkrimi i parë i fenomenit u bë nga James Gregory, i cili përdori pendët e shpendëve si grilë.[ | ]

Difraksioni i rrezeve X[ | ]

Një nga shembujt e qartë të difraksionit të dritës me anë të ultrazërit është difraksioni i dritës me anë të ultrazërit në një lëng. Në një nga parametrat e një eksperimenti të tillë, një valë në këmbë ngacmohet me një frekuencë ultratingujsh në një banjë optikisht transparente në formën e një paralelepipedi drejtkëndor me një lëng optikisht transparent duke përdorur një pjatë piezomaterial. Në nyjet e tij dendësia e ujit është më e ulët, dhe si rezultat dendësia e tij optike është më e ulët, në antinyja është më e lartë. Kështu, në këto kushte, një banjë uji bëhet një grilë difraksioni fazor për një valë drite, në të cilën difraksioni ndodh në formën e një ndryshimi në strukturën fazore të valëve, gjë që mund të vërehet në një mikroskop optik duke përdorur metodën e kontrastit fazor. ose metodën e fushës së errët.

Difraksioni i elektronit[ | ]

Difraksioni i elektronit është procesi i shpërndarjes së elektroneve në një grup grimcash të një substance, në të cilën elektroni shfaq veti të ngjashme me ato të një valë. Në kushte të caktuara, kalimi i një rreze elektronesh përmes një materiali mund të regjistrojë një model difraksioni që korrespondon me strukturën e materialit. Procesi i difraksionit të elektroneve është përdorur gjerësisht në studimet analitike të strukturave kristalore të metaleve, lidhjeve dhe materialeve gjysmëpërçuese.

Difraksioni i Bragut[ | ]

Difraksioni nga një strukturë periodike tredimensionale siç janë atomet në një kristal quhet difraksion Bragg. Kjo është e ngjashme me atë që ndodh kur valët shpërndahen nga një grilë difraksioni. Difraksioni Bragg është pasojë e ndërhyrjes ndërmjet valëve të reflektuara nga rrafshet kristalore. Kushti për shfaqjen e ndërhyrjes përcaktohet nga ligji Wulf-Bragg:

D - distanca ndërmjet rrafsheve kristalore, θ këndi i kullotjes - këndi shtesë ndaj këndit të rënies, λ - gjatësia e valës, n (n = 1,2...) - një numër i plotë i quajtur rendi i difraksionit.

Difraksioni Bragg mund të realizohet duke përdorur dritë me gjatësi vale shumë të shkurtra, të tilla si rrezet X, ose valët e materies, si neutronet dhe elektronet, gjatësitë e valëve të të cilave janë të krahasueshme ose shumë më të shkurtra se distanca ndëratomike.

Metodat tradicionale për studimin e strukturës dhe defekteve strukturore të kristaleve janë metodat e difraksionit me rreze x. Me ndihmën e tyre, përcaktohet struktura dhe përbërja e mostrës dhe shpërndarja e defekteve në zonën e saj. Ndryshe nga elektronet, kuantet e rrezeve X kanë një thellësi shumë më të madhe depërtimi në kristal, gjë që bën të mundur marrjen e informacionit për densitetin e defekteve në pjesën më të madhe të kristalit. Metodat me rreze X bëjnë të mundur zbulimin e dislokimeve individuale, blloqeve të mozaikut, defekteve të grumbullimit (SF), streseve mekanike në ndërfaqet midis dy mediave (për shembull, një dielektrik - një gjysmëpërçues). Në praktikë, metodat e mëposhtme të analizës së difraksionit me rreze X përdoren më gjerësisht:

Metoda Laue - për të përcaktuar orientimin e kristaleve të vetme;

Metoda Debye-Scherer - për studimin e polikristaleve dhe pluhurave me një kristal;

metoda e rrotullimit të mostrës duke përdorur matje difraktometrike - për studimin e kristaleve të vetme.

Të gjitha metodat e difraksionit me rreze X bazohen në ligjin Wulff-Bragg dhe analizën e intensitetit të rrezes së rrezeve X pas ndërveprimit me kampionin.

Ligji Wulff-Bragg:

nλ=2 d mëkat θ ,

ku λ është gjatësia e valës së rrezatimit me rreze x; d- distanca ndërplanare; θ - këndi Bragg; n- numër i plotë).

Difraksioni i rrezeve X jep informacion të rëndësishëm për trupat e ngurtë, strukturën e tyre atomike dhe formën e kristalit, si dhe për lëngjet, trupat e ngurtë amorfe dhe molekulat e mëdha. Metoda e difraksionit përdoret gjithashtu për përcaktimin e saktë (me një gabim më të vogël se 1∙10 -5) të distancave ndëratomike, identifikimin e sforcimeve dhe defekteve dhe përcaktimin e orientimit të kristaleve të vetme. Duke përdorur modelin e difraksionit, mund të identifikoni materiale të panjohura, si dhe të zbuloni praninë e papastërtive në mostër dhe t'i identifikoni ato. Rëndësia e metodës së difraksionit me rreze X për përparimin e fizikës moderne vështirë se mund të mbivlerësohet, pasi kuptimi modern i vetive të materies bazohet përfundimisht në të dhënat mbi rregullimin e atomeve në përbërje të ndryshme kimike, natyrën e lidhjeve midis tyre dhe defekte strukturore. Mjeti kryesor për marrjen e këtij informacioni është metoda e difraksionit me rreze X.

Metoda laue

Metoda Laue përdor një spektër të vazhdueshëm "të bardhë" të rrezatimit me rreze X, i cili drejtohet në një kristal të palëvizshëm. Për një vlerë të caktuar periudhe d Gjatësia e valës që korrespondon me kushtin Bragg-Wulf zgjidhet automatikisht nga i gjithë spektri. Lauegramet e përftuara në këtë mënyrë bëjnë të mundur gjykimin e drejtimeve të rrezeve të difraktuara dhe rrjedhimisht edhe orientimeve të rrafsheve të kristalit, gjë që bën të mundur edhe nxjerrjen e përfundimeve të rëndësishme në lidhje me simetrinë, orientimin e kristalit dhe praninë. të defekteve në të. Në këtë rast, megjithatë, informacioni për periudhën hapësinore humbet d. Figura 1 tregon një shembull të një Lauegram. Filmi me rreze X ishte vendosur në anën e kristalit, përballë asaj mbi të cilën ra rrezja e rrezeve X nga burimi. Rrezet e difraksionit korrespondojnë me pika të ndritshme në Lauegram.

Kështu, një rreze e rrezatimit "të bardhë" të rrezeve X, e reflektuar nga aeroplanët për të cilët zbatohet ligji Wulff-Bragg, prodhon shumë rreze të difraktuara, të cilat, duke rënë në një pllakë fotografike me rreze X, shkaktojnë shfaqjen e reflektimeve (maksimumi i difraksionit ). Çdo reflektim korrespondon me reflektimin nga një sistem planesh paralele me indekse fikse Miller ( hkl). Natyra dhe simetria e shpërndarjes së këtyre pikave të shtrira në hiperbola përcaktohen nga orientimi i kristalit. Analiza përshpejtohet kur krahasohet me standardet.

Figura 2 tregon një Lauegram të një kristali të vetëm beril të orientuar. Rrezja kryesore e rrezeve X drejtohet përgjatë boshtit të simetrisë së rendit të dytë. Pikat e errëta në Lauegram korrespondojnë me rrezet e difraksionit. Kristali i vetëm përbëhet nga dy blloqe pak të keqorientuar, kështu që disa pika janë të dyfishta.

Metoda Debye-Scherer

Kur analizohen polikristalet dhe pluhurat me një kristal (metoda Debye-Scherer), filmi fotografik i ndjeshëm ndaj rrezeve X vendoset mbi sipërfaqen e një dhome cilindrike. Kur një mostër rrezatohet me rrezatim monokromatik me rreze X, rrezet e difraktuara janë të vendosura përgjatë sipërfaqes së koneve koaksiale, secila prej të cilave korrespondon me difraksionin nga një familje planesh me indekse ( hkl) (Fig. 1)

Ndryshe nga metoda e mëparshme, rrezatimi monokromatik përdoret këtu (  =const), dhe këndi ndryshon  . Kjo arrihet duke përdorur mostra polikristaline ose pluhura me një kristal të përbërë nga shumë kristalitë të vegjël me orientim të rastësishëm, ndër të cilët ka disa që plotësojnë kushtin Bragg-Wulf. Trarët e difraktuara formojnë kone, boshti i të cilave drejtohet përgjatë rrezes së rrezeve X. Për xhirimin, zakonisht përdoret një rrip i ngushtë filmi me rreze X në një kasetë cilindrike dhe rrezet X përhapen përgjatë diametrit përmes vrimave në film (Fig. 3).

Kur koni kryqëzon filmin, shfaqet një vijë e nxirjes. Boshtet e konëve përkojnë me drejtimin e rrezes parësore, dhe këndi i hapjes së konit është i barabartë me katërfishimin e këndit Bragg për aeroplanët ( hkl). Distancat ndërplanare përcaktohen nga linjat në radiografi dhe materiali identifikohet duke përdorur tabela standarde d hkl. Saktësia e përcaktimit d hklështë 0.001 nm. Nëse ka një teksturë në filma, vija dhe pika me intensitet më të madh shfaqen në kthesat e nxirjes.

Debyegrami i marrë në këtë mënyrë (Fig. 4, a) përmban informacion të saktë për periudhën d hkl, pra për strukturën e kristalit, por nuk jep informacionin që përmban Lauegrami. Prandaj, metodat Laue dhe Debye-Scherer plotësojnë njëra-tjetrën.

Në difraktometrat modernë, shiritat ose numëruesit proporcionalë përdoren për të regjistruar rrezet e rrezeve X të difraktuara (Fig. 4, b). Instalime të tilla kryejnë regjistrimin automatik të të dhënave, gjë që është shumë e rëndësishme, pasi strukturat komplekse mund të prodhojnë një numër të madh reflektimesh (deri në 10,000).

Disa aplikime të metodës Debye-Scherrer.

Identifikimi i elementeve dhe komponimeve kimike. Në këndin e përcaktuar nga Debyegram  mund të llogarisni distancën ndërplanare karakteristike të një elementi ose lidhjeje të caktuar d hkl. Aktualisht, janë përpiluar shumë tabela vlerash d, duke bërë të mundur identifikimin jo vetëm të këtij apo atij elementi ose përbërjeje kimike, por edhe gjendjeve të ndryshme fazore të së njëjtës substancë, gjë që nuk është gjithmonë e mundur me analizën kimike. Është gjithashtu e mundur të përcaktohet me saktësi të lartë përmbajtja e përbërësit të dytë në lidhjet zëvendësuese bazuar në varësinë e periudhës d në përqendrim.

Analiza e stresit mekanik. Bazuar në ndryshimin e matur në distancat ndërplanare për drejtime të ndryshme në kristale, është e mundur, duke ditur modulin elastik të materialit, të llogariten sforcimet e vogla në të me saktësi të lartë.

Studime të orientimit preferencial në kristale. Nëse kristalitët e vegjël në një kampion polikristalor nuk janë plotësisht të orientuar rastësisht, atëherë unazat në modelin Debye do të kenë intensitet të ndryshëm. Në prani të një orientimi preferencial të shprehur qartë, maksimumi i intensitetit përqendrohet në pika individuale në imazh, i cili bëhet i ngjashëm me imazhin për një kristal të vetëm. Për shembull, gjatë rrotullimit të thellë të ftohtë, një fletë metalike fiton një strukturë - një orientim të theksuar të kristaliteve. Debyegram mund të përdoret për të gjykuar natyrën e përpunimit të ftohtë të materialit.

Studimi i madhësive të kokrrave. Nëse madhësia e kokrrizave të një polikristali është më shumë se 1∙10 -3 cm, atëherë linjat në diagramin Debye do të përbëhen nga pika individuale, pasi në këtë rast numri i kristaliteve nuk është i mjaftueshëm për të mbuluar të gjithë gamën e këndeve q. Nëse madhësia e kristalitit është më e vogël se 1∙10 -5 cm, atëherë linjat e difraksionit bëhen më të gjera. Gjerësia e tyre është në përpjesëtim të zhdrejtë me madhësinë e kristaliteve. Zgjerimi ndodh për të njëjtën arsye që kur numri i çarjeve zvogëlohet, rezolucioni i grilës së difraksionit zvogëlohet. Rrezatimi me rreze X bën të mundur përcaktimin e madhësive të kokrrave në rangun nga 1·10 -7 – deri në 1·10 -6 cm.

Prandaj, metoda të ndryshme difraksioni ofrojnë informacion që plotësojnë njëra-tjetrën.
Bazat e teorisë së difraksionit. Njëngjyrëshe e sheshtë valë me gjatësi vale l dhe valë k 0 ku | k 0 | = 2 p/l , mund të konsiderohet si një rreze grimcash me momentum r, ku | r| = h/ l ; h - . Amplituda e valës F (me valë k), një popullsi e shpërndarë prej n, përcaktohet nga ekuacioni:

ku s = ( k - k 0)/2 p, s = 2sin q / l, 2 q - këndi i shpërndarjes, f j (s) - faktori atomik, ose faktori i shpërhapjes atomike, pra funksioni që përcakton amplituda e shpërndarjes së j-së së izoluar (ose); r jështë vektori i rrezes së tij. Një shprehje e ngjashme mund të shkruhet nëse supozojmë se një objekt me vëllim V ka një densitet të vazhdueshëm shpërndarjeje r ( Largësia):

Faktori atomik f(s) gjithashtu llogaritet duke përdorur të njëjtën formulë; në të njëjtën kohë Largësia (Largësia) përshkruan shpërndarjen e densitetit të shpërndarjes brenda . Vlerat e faktorit atomik janë specifike për çdo lloj rrezatimi. Rrezet X shpërndahen nga predha elektronike. Faktori atomik përkatës f p at q = 0 është numerikisht i barabartë me numrin Z në nëse f p shprehet në të ashtuquajturën. njësitë elektronike, pra në terma relativë. njësitë e amplitudës së shpërndarjes së rrezeve X me një të lirë. . Me rritjen e këndit të shpërndarjes, fp zvogëlohet (Fig. 2). Shpërndarja përcaktohet në mënyrë elektrostatike. potencial j (Largësia) (Largësia- largësia nga qendra). Faktori atomik për f e lidhet me f p nga relacioni:

ku e është ngarkesa, m është masa e saj. Abs. vlerat f e (~ 10 - 8 cm) është dukshëm më i madh se f р (~ 10 - 11 cm), pra shpërndahet më fortë se rrezet X; f e zvogëlohet me rritjen e mëkatit q/l më e mprehtë se f p, por varësia e f e nga Z është më e dobët (Fig. 3). të shpërndara nga bërthamat (faktori f n), dhe gjithashtu për shkak të bashkëveprimit të magneteve. momente me mag jozero. momente (faktori f nm). Rrezja e veprimit të forcave bërthamore është shumë e vogël (~ 10 - 6 nm), prandaj vlerat e fn janë praktikisht të pavarura nga q . Përveç kësaj, faktorët f n nuk varen në mënyrë monotonike nga at. n. Z dhe, ndryshe nga f r dhe f e, mund të jenë negative. kuptimet.


Oriz. 2. Varësia e vlerave absolute të faktorëve atomikë të rrezeve X (1), (2) dhe (3) nga këndi i shpërndarjes q (për Pb).

Sipas abs. vlera fn ~ 10 - 12 cm Për llogaritjet e sakta merren parasysh devijimet e shpërndarjes ose potencialit nga sfera. etj. faktori i temperaturës atomike, i cili merr parasysh ndikimin e dridhjeve termike në shpërndarje. Për Mössbauer g -rrezatimi përveç shpërndarjes në predha elektronike të krijesave. Një rol mund të luhet nga shpërndarja rezonante në bërthama (për shembull, 57 Fe), për të cilën vërehet efekti Mössbauer, i cili përdoret në. Faktori i shpërndarjes f m varet nga vala dhe valët rënëse dhe të shpërndara. Intensiteti I(s) i shpërndarjes nga një objekt është proporcional me katrorin e modulit të amplitudës: I(s)~|F(s)| 2. Vetëm moduli |F(s)| mund të përcaktohen eksperimentalisht dhe të ndërtohet funksioni i densitetit të shpërndarjes Largësia (r) është gjithashtu e nevojshme të njihen fazat j (s) për çdo s. Megjithatë, teoria e metodave të difraksionit bën të mundur marrjen e funksionit nga I(et) e matura Largësia (r), pra të përcaktojë strukturën e substancës. Në këtë rast, rezultatet më të mira merren nga hulumtimi.
. është një sistem rreptësisht i renditur, prandaj gjatë difraksionit formohen vetëm rreze diskrete të shpërndara, për të cilat shpërndarja s është e barabartë me të ashtuquajturat. rrjetë reciproke N hkl;

N hkl=ha* + kb* + lс*,

ku a* = / W, b* = [сa]/ W, с* = / W ; a, b dhe c - parametrat e qelizave; W është vëllimi i tij, W = (a). Shpërndarja e densitetit të shpërndarjes në një qelizë njësi përfaqësohet si një seri Fourier:

ku h, k, l - të ashtuquajturat. Indekset Miller të rrafshit reflektues, F hkl = |F hkl|exp - strukturore përkatëse amplituda e rrezatimit të shpërndarë, j hkl- faza e saj. Për të ndërtuar një funksion Largësia (x, y, z) sipas vlerave të përcaktuara eksperimentalisht | F hkl | përdorin metodën dhe gabimet, ndërtimin dhe analizën e funksionit të distancave ndëratomike, metodën e zëvendësimeve izomorfike, metodat e drejtpërdrejta për përcaktimin e fazave (shih). Përpunimi i eksperimentit të dhënat në një kompjuter ju lejojnë të rindërtoni strukturën në formën e hartave të shpërndarjes së densitetit të shpërndarjes (Fig. 4). Strukturat janë studiuar në kap. arr. duke përdorur. Kjo metodë ka përcaktuar më shumë se 100 mijë struktura inorganike. dhe org. . Për jo-org. duke përdorur dil. metodat e përsosjes (duke marrë parasysh korrigjimet për thithjen, faktorin e temperaturës atomike, etj.) është e mundur të rivendoset funksioni Largësia (r) me një rezolucion deri në 0,05 nm dhe përcaktoni distancat ndërmjet tyre me një saktësi prej ~ 10- 4 nm.

Oriz. 4. Projeksioni i densitetit bërthamor të strukturës kristalore të deuteruar C 2 N 4 D 4. Lidhur me një vijë me pika.

Kjo ju lejon të përcaktoni luhatjet termike, veçoritë e shpërndarjes të shkaktuara nga kimikatet. komunikimi etj.. Me ndihmën e analizës së difraksionit me rreze X bëhet i mundur deshifrimi i strukturave atomike, të cilat përmbajnë mijëra. Difraksioni i rrezeve X përdoret gjithashtu për të studiuar (në topografinë me rreze X), për të studiuar shtresat sipërfaqësore (në spektrometrinë me rreze X) dhe cilësi. dhe sasive. përcaktimi i përbërjes fazore të polikristalit. materialet (c), etj. si metodë e studimit të strukturës ka një gjurmë. veçoritë: 1) ndërveprimi. substancat janë shumë më të forta sesa me rrezet X, kështu që difraksioni ndodh në shtresa të holla substancash 1-100 nm të trasha; 2) f e varet më pak se f p, gjë që e bën më të lehtë përcaktimin e pozicionit të mushkërive në prani. e rëndë; 3) për faktin se gjatësia e valës së atyre të shpejta të përdorura zakonisht me një energji 50-100 keV është përafërsisht. 5. 10 - 3 nm, gjeom. interpretimi i modeleve të difraksionit të elektroneve është shumë më i thjeshtë. Struktura përdoret gjerësisht për studimin e objekteve të shpërndara imët, si dhe për studimin e llojeve të ndryshme të teksturave (balte, filma, etj.). Difraksion me energji të ulët (10-300 eV, l 0,1-0,4 nm) - një metodë efektive për studimin e sipërfaqeve: vendndodhja, natyra e dridhjeve të tyre termike, etj. Rikthen imazhin e një objekti me difraksion. foto dhe ju lejon të studioni strukturën me një rezolucion prej 0,2-0,5 nm. Burimet për këtë janë reaktorët bërthamorë të shpejtë, si dhe reaktorët pulsues. Spektri i rrezes që del nga kanali i reaktorit është i vazhdueshëm për shkak të shpërndarjes së shpejtësisë Maxwelliane (maksimumi i tij në 100°C korrespondon me një gjatësi vale prej 0,13 nm). Monokromatizimi i rrezes kryhet në mënyra të ndryshme - me ndihmën e kristaleve monokromatike, etj., Si rregull, përdoret për të sqaruar dhe plotësuar të dhënat strukturore të rrezeve X. Mungesa e varësisë monotonike f dhe nga ju lejon të përcaktoni me saktësi pozicionin e mushkërive. Për më tepër, i njëjti element mund të ketë vlera shumë të ndryshme të f dhe (për shembull, f dhe y 3.74. 10 - 13 cm, në 6,67. 10 - 13 cm). Kjo bën të mundur studimin e vendndodhjes dhe marrjen e informacionit shtesë. informacion rreth strukturës nga zëvendësimi i izotopit (Fig. 4). Hulumtimi magnetik ndërveprim me magnetike momenti jep informacion për magnetin. . Mössbauer g -rrezatimi dallohet nga një gjerësi linja jashtëzakonisht e vogël - përafërsisht. 10 - 8 eV (ndërsa gjerësia e linjës së rrezatimit karakteristik të tubave me rreze X është rreth 1 eV). Kjo rezulton në një nivel të lartë kohe dhe hapësire. qëndrueshmëria e shpërndarjes bërthamore rezonante, e cila lejon, në veçanti, studimin e magnetizmit. fushë elektrike dhe gradient fushat në bërthama. Kufizimet e metodës janë fuqia e dobët e burimeve Mössbauer dhe prania e detyrueshme e bërthamave në mostër, për të cilat vërehet efekti Mössbauer.

Nuk ndryshon pas shpërndarjes. Ndodh e ashtuquajtura shpërndarje elastike. Metodat e difraksionit bazohen në një marrëdhënie të thjeshtë midis gjatësisë së valës dhe distancës midis atomeve shpërndarëse.

1. Analiza e difraksionit me rreze X bën të mundur përcaktimin e koordinatave të atomeve në hapësirën tredimensionale të substancave kristalore nga komponimet më të thjeshta deri te proteinat komplekse.
2. Duke përdorur difraksionin e elektroneve të gazit, përcaktohet gjeometria e molekulave të lira në gaze, domethënë molekulave që nuk ndikohen nga molekulat fqinje, siç ndodh te kristalet.
3. Difraksioni i elektronit është një metodë për studimin e strukturës së trupave të ngurtë.
4. Neutronografia është gjithashtu një metodë difraksioni, e cila bazohet në shpërndarjen e neutroneve në bërthamat atomike, në ndryshim nga dy metodat e para, të cilat përdorin shpërndarjen në predha elektronike.
5. Difraksioni i kthimit të elektroneve është një metodë kristalografike e përdorur në një mikroskop elektronik skanues.

Fondacioni Wikimedia.

2010.

Shihni se çfarë janë "Metodat e difraksionit" në fjalorë të tjerë: Studimet e strukturës në VA bazohen në studimin e shpërndarjes këndore të intensitetit të shpërndarjes së rrezatimit të rrezeve X (përfshirë rrezatimin sinkrotron), fluksin e elektroneve ose neutroneve dhe rrezatimit Mössbauer g të studiuar në VA. Resp. dalloj...

Enciklopedia kimike metodat e hulumtimit të difraksionit - difrakciniai tyrimo metodai statusas T sritis chemija apibrėžtis Metodai, pagrįsti spindulių ar dalelių difrakcija. atitikmenys: angl. teknikat e hulumtimit difraksional rus. Metodat e hulumtimit të difraksionit...

Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Artikujt dhe materialet halo-hibride dislokimi i difraksionit përcaktimi i madhësisë mesatare të rajoneve të shpërndarjes koherente Difraksion i shpejtë i elektroneve Difraksion i ngadaltë i elektroneve me kënd të vogël rajoni koherent i shpërndarjes së neutroneve ... ...

Mund të ndahet në metodat e mbledhjes së informacionit dhe metodat e analizimit të informacionit të mbledhur. Varësisht nga fusha e kërkimit, lënda dhe objekti i kërkimit janë të ndryshëm. Metodat spektroskopike Artikulli kryesor: Metodat spektroskopike Bërthamore ... ... Wikipedia Nënseksionet Metodat e sondës së mikroskopisë dhe spektroskopisë: forca atomike, tunelizimi i skanimit, forca magnetike, etj. Mikroskopi elektronik skanues Mikroskopi elektronik transmetues, duke përfshirë rezolucion të lartë lumineshent... ...

Fjalor Enciklopedik i Nanoteknologjisë Studimet e strukturës në VA bazohen në studimin e shpërndarjes këndore të intensitetit të shpërndarjes së rrezatimit të rrezeve X (përfshirë rrezatimin sinkrotron), fluksin e elektroneve ose neutroneve dhe rrezatimit Mössbauer g të studiuar në VA. Resp. dalloj...

Bazuar në matjen e efektit të shkaktuar nga ndërveprimi. me emetimin e një rryme kuantesh ose grimcash. Rrezatimi luan afërsisht të njëjtin rol si një reagent në metodat kimike të analizës. E matur fizike efekti është një sinjal. Si rezultat...... Rregullimi i atomeve, joneve, molekulave në një kristal. Kristal me definicion kimi. floy ka një strukturë të natyrshme kristal, e cila ka një periodicitet tre-dimensionale në rrjetën kristalore. Termi K. s. përdoret në vend të termit kristalor. grilë kur vjen...

Enciklopedi fizike Nënseksionet Metodat e sondës së mikroskopisë dhe spektroskopisë: forca atomike, tunelizimi i skanimit, forca magnetike, etj. Mikroskopi elektronik skanues Mikroskopi elektronik transmetues, duke përfshirë rezolucion të lartë lumineshent... ...

Termi proteomikë Termi në anglisht proteomikë Sinonime Shkurtesat Termat e ndërlidhura vend aktiv i një katalizatori, antitrupi, mikroskopi i forcës atomike, proteina, motorë biologjikë, nanoobjekte biologjike, biosensor, van der Waals... ... Nënseksionet Metodat e sondës së mikroskopisë dhe spektroskopisë: forca atomike, tunelizimi i skanimit, forca magnetike, etj. Mikroskopi elektronik skanues Mikroskopi elektronik transmetues, duke përfshirë rezolucion të lartë lumineshent... ...

Termi proteome Termi në anglisht proteome Sinonime Shkurtesat Terma të lidhura antitrup, proteina, nanoobjekte biologjike, gjenom, kapsid, kinesin, qelizë, spektrometri e masës jonizuese e desorbimit me lazer, matricë, jashtëqelizore,... ... Nënseksionet Metodat e sondës së mikroskopisë dhe spektroskopisë: forca atomike, tunelizimi i skanimit, forca magnetike, etj. Mikroskopi elektronik skanues Mikroskopi elektronik transmetues, duke përfshirë rezolucion të lartë lumineshent... ...

libra

• Metodat e optikës kompjuterike. Grif Ministria e Mbrojtjes e Federatës Ruse, Volkov Alexey Vasilievich, Golovashkin Dimitry Lvovich, Doskolovich Leonid Leonidovich. Përshkruhen bazat e sintezës kompjuterike të elementeve optike difraktive (DOE) me funksionalitet të gjerë. Metodat për marrjen e pllakave të zonuara me komplekse...
• Difraksioni dhe metodat dhe instrumentet mikroskopike për analizën e nanogrimcave dhe nanomaterialeve, Yuri Yagodkin. Teksti shkollor mbulon bazat fizike të metodave dhe pajisjeve për kryerjen e difraksionit me rreze X, analizat e difraksionit të elektroneve dhe neutroneve, mikroskopi elektronik transmetues,…