Рентгеноструктурний та рентгеноспектральний аналіз – МАНЛаб


Рентгеноструктурний та рентгеноспектральний аналіз

Автор Шиховцев Юрій
Студент магістратури КАУ, факультет фізики.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з методами аналізу структури та складу речовин за допомогою рентгенівських променів.
  2. Отримати спектри декількох джерел випромінювання.
  3. Перевірити характеристичні відстані декількох монокристалічних поверхонь.

Обладнання:

рентгенівська камера, набір випромінювальних ламп, набір дифракційних кристалів, ПК.

Програмне забезпечення: PHYWE measure.

Теоретична частина

  1. Дифракція рентгенівських променів на кристалах.

Рентгенівське випромінювання (або X-rays в англомовній літературі) характеризується високими значеннями енергії та короткими довжинами хвилі: λ = 10-3÷102 нм. Для порівняння, спектр видимого світла перебуває в межах λ = 400÷700 нм. Явище дифракції на ґратці – розкладу випромінювання на монохроматичні складові (кольори у веселці) – відбувається за умови λ ~ d, де d – постійна ґратки. Для дифракції рентгенівських променів потрібна ґратка зі значно меншою відстанню між елементами, що дифрагують, ніж в оптичній ґратці. З цією метою використовують будь-які кристалічні структури з відповідними характеристичними міжплощинними відстанями.

Рис. 1. Схема кристалічної будови металів

Дифракція рентгенівських променів описується рівнянням Вульфа-Брегга:

 ,

де d – міжплощинна відстань, θ – кут падіння променя на площину кристала, λ – довжина хвилі монохроматичного випромінювання, n – порядок дифракції (натуральне число).

Енергія, довжина хвилі та частота випромінювання пов’язані законом:

,

де h = 6.6256·10-34 (Дж·с) – постійна Планка, с = 2.9979·108(м/с) – швидкість світла.

Процес дифракції на кристалі відрізняється від дифракції на тонких плівках або дифракційній ґратці. Через товщину кристалу (велика кількість площин) кут відбивання променів дорівнює куту падіння, отже, замість спектра в результаті утворюється монохроматичний промінь. Для отримання променя іншої довжини хвилі потрібно змінити кут падіння початкового променя (повернути ґратку) та реєструвати випромінювання на новому куті.

Рис. 2. До формули Вульфа-Брегга

Задача визначення характерних міжплощинних відстаней d кристалічної структури за відомим рентгенівським спектром джерела випромінювання називається рентгеноструктурним аналізом.

Кожній довжині хвилі λ відповідає певний кут θ. Тому за спектральних досліджень у рентген-діапазоні для зняття повного спектра потрібно повертати кристал синхронно з приймачем на гоніометрі. Збільшуючи кут, отримаємо спектр розсіяння, що буде повторюватися в наступних порядках дифракції. Зауважимо, що при повертанні приймача кут між ним та джерелом випромінювання має зберігатися рівним 2θ, щоб задовольнялася рівність кута падіння та кута відбиття.

  1. Джерело рентгенівського випромінювання.

Як джерело рентгенівського випромінювання використовується електровакуумна рентгенівська трубка. Ключовими елементами приладу є електроди та тепловідвід. При нагріванні катоду з нього вилітають електрони (термоелектронна емісія), які прискорюються зовнішнім полем (напругою) та вдаряються в анод. При цьому електрони різко втрачають велику частину своєї енергії, яка майже повністю переходить у вигляд теплового й електронного збудження атомів аноду. Решта попередньої кінетичної енергії електронів перетворюється у вигляд рентгенівського (гальмівного) випромінювання. Цей вигляд випромінювання на спектрі є неперервною смугою, на тлі якої і будуть спостерігатися досліджувані спектральні лінії.

Значне нагрівання потребує охолодження, що у деяких приладах виконано за допомогою водяного або масляного тепловідводу.

Регулюванню підлягають струм накалювання катоду, що визначає кількість емісійних електронів, та напруга прискорення.

Рис. 3. Схема рентгенівської трубки, де Uh – напруга накалювання катоду, K – катод, A – анод, Ua – напруга прискорювання, X – рентгенівські промені, C, Win, Wout – система охолодження.

Типовий рентгенівський спектр виглядає як декілька ліній на фоні неперервної смуги гальмівного випромінювання.

Рис. 4. Рентгенівський спектр Rh за Ua=60 кВ

Ці характерні лінії виникають унаслідок того, що електрони з катоду вибивають електрони з нижніх оболонок атомів аноду. На місці вибитого електрону утворюється позитивно заряджена дірка. Вона притягує електрони з верхніх оболонок атому, а найбільш імовірним є виліт електрона з однієї з незаповнених (найвищих) оболонок. Отже, різниця енергій орбіталей дорівнює енергії рентгенівського фотона, що випромінює атом. Ця енергія відповідає певній лінії спектра та є унікальною для кожного хімічного елемента. На основі цього факту побудовано метод визначення хімічного складу під назвою рентгеноспектральний аналіз.

Рис. 5. Енергетичні рівні молібдену та доступні електронні переходи

Детектування монохроматичного рентгенівського випромінювання відбувається за допомогою ефекту іонізації речовини під дією цих хвиль. Так працюють різноманітні сцинтиляційні детектори та лічильник Гейгера.

Хід роботи

1. Перевірте стан рентгенівської камери. Перед початком роботи камера має бути вимкнена; жодна індикація не має світитися.

2. Вставте кристал LiF у гніздо гоніометра.

3. Вставте досліджувану лампу в гніздо з лівого боку камери. У цьому пункті оберіть лампу Cu.

4. Увімкніть комп’ютер.

5. Увімкніть камеру тумблером на задній стороні за відкритої передньої кришки.

6. Запустіть програму та перевірте зв’язок камери з ПК: натисніть червону кнопку або оберіть пункт «New measurement». Зв’язок встановлено, якщо немає сповіщення про помилку.

7. Закрийте кришку та розпочніть вимірювання з параметрами: crystal angle, 2:1, I=1мА, U = 35кВ, початкове та кінцеве значення кута 3° та 70° відповідно, крок: 0.1°.

8. У нижньому меню натисніть кнопку «Start measurement».

9. Спостерігайте процес вимірювання.

10. Вимкніть камеру.

11. Повторіть пп. 2–10 плану для ламп Fe і Mo та кристалу KBr.

12. Проаналізуйте відмінності отриманих спектрів.

13. Збережіть вимірювання.

14. Додаткове завдання: перевірте зазначені міжплощинні розміри кристалічних ґраток та зазначені матеріали джерел випромінювання, порівнявши їхні спектральні піки з наведеними у спектроскопічних таблицях.

Аналіз даних

.