Файл: стр_193-222___Metody_analiza_i_kontrolya_veshch (1).docx

Дифракционные методы позволяют также получать информацию о структурных характеристиках некристаллических материалов. В аморфных материалах нет трансляционной симметрии (нет дальнего порядка в расположении образующих его частиц), однако в них сохра- няется ближний порядок – упорядоченное расположение атомов (или молекул) в пределах нескольких межатомных расстояний. Для изотроп-

259

ных некристаллических веществ регистрируемое в эксперименте рас- пределение интенсивности рассеяния I(K), где sin4K , представ- ляет собой одномерную дифракционную картину. Из интерференцион-

ной части распределения интенсивности: M

1j

2 j

fKIKi (суммирова-

ние проводится по числу атомов в формульной единице исследуемого соединения) рассчитывается радиальная функция распределения атом- ной или электронной плотности D(r)

dKKexpKrsinKKir4rr4rD 22

0 22

. (8.8)

Кривая радиального распределения электронной плотности rr4rD

2 осциллирует около плавной кривой 4πr

2 ρ0, определяемой

величиной средней электронной плотности материала ρ0. Положения максимумов на кривой D(r) соответствуют значениям наиболее вероят- ных межатомных расстояний – радиусам координационных сфер, пло- щади под максимумами пропорциональны величинам координационных чисел – числам атомов на координационных сферах. Из ширины макси- мумов определяют размытия координационных сфер, характеризующие разброс межатомных расстояний относительно их средних значений.

Таким образом, в целом все три дифракционных метода исследова- ния (рентгено-, электроно- и нейтронография) являются прямыми мето- дами изучения атомного строения материала и позволяют устанавливать взаимосвязь между структурным состоянием исследуемого материала и его физическими свойствами.

Электронография как метод изучения структуры кристаллов имеет следующие особенности:

взаимодействие вещества с электронами намного сильнее, чем с рентгеновскими лучами, поэтому дифракция происходит в тонких слоях вещества толщиной 1–100 нм;

fэ зависит от атомного номера слабее, чем fр, что позволяет проще определять положение легких атомов в присутствии тяжелых;

благодаря тому, что длина волны обычно используемых быст- рых электронов с энергией 50–100 кэВ мала (0,08–0,03 Å), геометриче- ская интерпретация электронограмм существенно проще. Малая длина волны позволяет получать четкую дифракционную картину от мелко- дисперсных фаз.

Структурная электронография широко применяется для исследова- ния тонкодисперсных объектов, а также для изучения разного рода тек- стур (например, глинистые минералы, пленки полупроводников). Малая проникающая способность и малая толщина вещества, необходимая для

260

создания дифракционной картины, обеспечивает широкое применение электронографии при изучении тонких поверхностных слоев и специ- ально приготовленных тонких пленок.

Нейтронография используется, как правило, для уточнения и до- полнения рентгеноструктурных данных. Источниками нейтронов для структурного анализа служат ядерные реакторы на быстрых нейтронах, а также импульсные реакторы. Спектр пучка нейтронов, выходящих из канала реактора, непрерывен. Длины волн тепловых нейтронов, исполь- зуемых в нейтронографии, того же порядка, что и длины волн рентге- новского излучения. Однако разрешение нейтронограмм значительно хуже, чем разрешение рентгенограмм, и, как следствие, точность изме- рения межплоскостных расстояний составляет 0,05 Å. Преимущество нейтронографии, тем не менее, в том, что она позволяет устанавливать взаимное расположение атомов, являющихся соседями в таблице Мен- делеева, что весьма сложно сделать в случае проведения рентгеногра- фического эксперимента. Отсутствие монотонной зависимости fи от атомного номера позволяет достаточно точно определять положение легких атомов. Кроме того, изотопы одного и того же элемента могут иметь сильно различающиеся значения fи, что дает возможность изучать расположение изотопов и получать дополнительные сведения о струк- туре путем изотопного замещения. И, наконец, поскольку нейтроны рассеиваются на магнитных моментах атомов, то нейтронография успешно применяется при изучении магнетиков – веществ, в направле- ниях магнитных моментов атомов которых имеется корреляция (веро- ятностная взаимосвязь). Так, именно с помощью магнитной нейтроно- графии установили существование антиферромагнитных и ферримаг- нитных структур.

Основная задача МУР – определение структуры или отдельных структурных параметров рассеивающего объекта по картине интенсив- ности рассеянного излучения. Из экзотического дифракционного явле- ния, описанного в 1938 г. в работах А. Гинье, благодаря применению компьютерной техники и методам математической обработки данных, МУР превратился в самостоятельную область структурного анализа не- однородных систем. Важнейшая особенность метода – неразрушающий анализ внутренней структуры разупорядоченных систем. Метод являет- ся единственным способом получения количественной информации об объектах с хаотическим расположением неоднородностей c размерами коллоидного диапазона. Он позволяет определять форму и размер моле- кул (для молекул белка и нуклеиновых кислот), характер взаимной укладки компонент (в вирусах), упаковку полимерных цепей в полиме-

261

рах, распределение частиц и пор по размерам в порошках и сорбентах и т. д.

Контрольные вопросы

1. На чем основаны дифракционные методы анализа? 2. Что представляет собой качественный фазовый анализ? 3. Какие сведения о структуре вещества можно получить по его ди-

фракционной картине? 4. От чего зависит число линий на рентгенограмме? 5. Как выглядят дифракционные картины от монокристалла, полико-

исталла, аморфного вещества? 6. Чем отличаются дифракционные картины монокристалла и поли-

кристалла? 7. Физические основы получения дифракционной картины от кри-

сталлов методом Лауэ. Получаемая информация о структурном со- стоянии.

8. Физические основы получения дифракционной картины от кри- сталлов методом Дебая. Получаемая информация о структурном состоянии.

9. Физические основы получения дифракционной картины от кри- сталлов методом вращения монокристалла. Получаемая информа- ция о структуре.

10. В чем сущность рентгеновского структурного анализа? 11. Расстояние между слоями атомов в кристалле равно 404 пм. При

каком значении угла в дифрактометре, использующем рентгенов- ские лучи CuKα (длина волны 154 пм), будет наблюдаться рефлекс?

12. Хлорид меди образует кубические кристаллы с 4-мя молекулами на элементарную ячейку. В фотографии порошка присутствуют толь- ко рефлексы или со всеми четными индексами, или со всеми не- четными индексами. Какова природа элементарной ячейки?

13. Оцените размеры предложенных кристаллитов по уширению ди- фракционных линий в рентгеновских лучах.

14. Какую информацию о свойствах вещества можно получить из ана- лиза периодов элементарной ячейки?

15. Область применения нейтронографии. 16. Каковы особенности и области применения метода МУР? 17. Особенности получения структурных данных с помощью элек-

тронной дифракции. 18. Перечислите основные причины ошибок при определении меж-

плоскостных расстояний.

262

19. Укажите основные причины уширения узлов обратной решетки на рентгенограммах.

20. Что такое рентгеновская дифрактометрия? 21. Что такое области когерентного рассеяния? 22. Можете ли вы на простой модели пояснить суть эффектов дифрак-

ции и возникновение интерференционной картины за объектом (твердым телом)?

23. Какие требования предъявляются к образцам для рентгенострук- турного фазового анализа?

24. Способы приготовления образов для получения рентгенограмм. 25. Зачем производят вращение образца? 26. От чего зависит число линий на рентгенограмме? 27. Какая информация содержится в карточках из картотеки JCPDS? 28. При каких условиях дифракционная линия эталона считается сов-

падающей с линией образца?

Тестовые вопросы к главе 8

1. Использование поликристаллического порошка является особенно- стью метода: a) Лауэ;Брега-Вульфа; c) Дебая-Шеррера.

2. По известному набору интенсивностей в дифракционном анализе можно определить: a) геометрию решетки; b) координаты атомов; c) несовершенство кристаллов.

3. Из характера распределения интенсивности дифрагированных рентгеновских лучей можно узнать:размер частиц; b) расположение атомов в молекуле; c) степень аморфизации.

4. Пятна без определенного строения получаются на дебаеграммах: a) если кристаллики слишком малы;для аморфных веществ; для

больших кристаллов.

5. Отличительной чертой характеристического спектра является: a) постоянство длинны волны; b) непрерывный набор длин волн; c) наличие коротковолновой границы;

263

d) получение большого числа длин волн.

6. Чему соответствует дифракционная картина в виде концентриче- ских колец: a) монокристалл; b) поликристалл; c) аморфный кристалл; d) полупроводник.

7. Ширина пика зависит: a) от размеров кристаллитов; b) от ускоряющего напряжения; c) от размеров и от количества кристаллитов; d) не зависит от размеров кристаллитов.

8. Уравнение Вульфа-Брэггов является частным случаем: a) уравнения Лейбница; b) уравнения Бугера-Ламберта; c) уравнения Дебая; d) уравнения Лауэ.

9. Малоугловое рассеяние зависит: a) от анодного тока; b) размеров кристаллитов; c) ускоряющего напряжения; d) микронапряжений.

10. Наиболее пригодные методы для анализа магнитной структуры: a) дифракции электронов; b) дифракции рентгеновских лучей; c) дифракции нейтронов.

11. Как называется система концентрических колец: a) рентгенограмма; b) дебаеграмма; c) дифрактограмма; d) лауэграмма.

264

Глава 9. Микроскопические методы анализа

В широком смысле слова микроскопия означает видение малых предметов, в узком смысле – видение малых предметов с помощью «микроскопа» – оптического прибора, состоящего из системы линз (по меньшей мере, двух).

Микроскопия подразделяется на три большие области: оптическая, электронная и сканирующая зондовая.

В оптической и электронной микроскопии используются дифрак- ция, отражение или преломление электромагнитного излучения или электронных пучков при взаимодействии с исследуемым объектом с по- следующей регистрацией излучения для построения изображения. Это может происходить как при облучении поля изображения образца цели- ком, например, в обычной оптической микроскопии или просвечиваю- щей электронной микроскопии, так и при сканировании образца пучком маленького размера, например, в конфокальной лазерной сканирующей микроскопии или сканирующей электронной микроскопии.

В сканирующей зондовой микроскопии изображение поверхности объекта формируется с помощью зонда, сканирующего поверхность объекта. Изображение получается путем механического перемещения зонда по траектории в виде растра (строка за строкой) и регистрации взаимодействия между зондом и поверхностью как функции его поло- жения (координат).

Минимальный размер объекта, который можно увидеть, определя- ется разрешающей способностью прибора, определяемой длиной волны используемого в микроскопии излучения и аппаратными искажениями. Фундаментальное ограничение заключается в невозможности получить прямыми методами при помощи электромагнитного излучения изобра- жение объекта, меньшего по размерам, чем длина волны этого излуче- ния. В сканирующей микроскопии разрешение определяется минималь- ным диаметром пучка. В сканирующей зондовой микроскопии разре- шающая способность зависит от размера зонда и характера его взаимо- действия с поверхностью объекта.

Микроскопический метод дает возможность определить дисперс- ность и форму кристаллов, изменения фазового состава. Световую мик- роскопию применяют для анализа материалов с размерами частиц 100– 500 нм. Для дисперсионного анализа ультрадисперсных материалов бо- лее пригодна электронная микроскопия. Электронная микроскопия вы-

265

сокого разрешения позволяет определить не только размеры наноча- стиц, но и детали их строения.

При помощи микроскопического метода можно исследовать про- цессы диффузии при реакциях в твердой фазе.