Рентгеноструктурный анализ 1 Доцент кафедры месторождений полезных ископаемых Шарова Татьяна Викторовна Преподаватель кафедры месторождений полезных ископаемых Рыбин Илья Валерьевич

Рентгеноструктурный анализ Это анализ структуры вещества с помощью рентгеновских лучей. 2

Рентгеновские лучи открыты Вильгельмом Конрадом Рентгеном в 1895 г., когда он проводил эксперименты по получению катодных лучей в запаянной разрядной трубке, завернутой в черную бумагу. 3

Общие свойства рентгеновских лучей: – рентгеновские лучи не воспринимаются глазом; – вызывают свечение некоторых веществ; – действуют на эмульсию фотопластинок; – вызывают ионизацию газов; – рентгеновские лучи проходят сквозь тела, не прозрачные для видимого света; – рентгеновские лучи распространяются прямолинейно; – в электрическом и магнитном полях лучи не отклоняются, при прохождении через тела лишь частично рассеиваются. 4

Принципиальная возможность анализа определяется соизмеримостью длин волн рентгеновского излучения и размеров атомов, ионов и межатомных расстояний, имеющих порядок 0,1 – 0,3 нм. Объектами исследования могут быть вещества различного агрегатного состояния –твердые, жидкие, газообразные, кристаллические и аморфные. 5

В основном этот вид анализа применяется для исследования твёрдых веществ, обладающих кристаллической структурой, т.е. веществ характеризующихся упорядоченным и закономерным расположением в пространстве атомов, ионов, и т.д. blogs.mail.ru; quester1.narod.ru quester1.narod.ru Кристаллическая решетка корунда 6

Наличие периодичности в распределении атомов по пространственным плоскостям с различной плотностью заселения делает кристаллическое вещество дифракционной решеткой для рентгеновских лучей chemistry.wustl.edu 7

Дифракция рентгеновских лучей рассеяние рентгеновских лучей кристаллами (или молекулами жидкостей и газов), при котором из начального пучка лучей возникают вторичные отклонённые пучки той же длины волны, появившиеся в результате взаимодействия первичных рентгеновских лучей с электронами вещества; направление и интенсивность вторичных пучков зависят от строения рассеивающего объекта S- рентгеновские лучи К – кристалл F-фотографическая пластинка А,В – ширмы с узким отверстием Опыт Лауэ

9 Явление взаимодействия рентгеновских лучей с кристаллами можно рассматривать как их отражение атомными плоскостями и интерференцию (сложение интенсивности лучей) отраженных лучей. Лучи, отраженные атомными плоскостями, интерферируя ослабляют или усиливают друг друга. Отражённое излучение с максимальной интенсивностью наблюдается под определёнными углами к плоскости кристалла: под углами, обеспеченными разностью хода лучей, отражённых смежными параллельными атомными плоскостями, равной целому числу длин волн первичного рентгеновского излучении 9

10 Предполагается, что рентгеновское излучение рентгеновской трубки монохроматическое, зная длину волны, экспериментально измерив углы отражения, определяют расстояние между параллельными плоскостями, имеющимися в данной кристаллической структуре. Расстояние определяется из формулы Вульфа-Брегга 2 d sinθ=nλ Кристаллическая структура характеризуется системой параллельных атомных плоскостей, заселенных атомами расстояния между этими плоскостями называют межплоскостными (d), а плотность заселения характеризуется относительной интенсивностью отражения рентгеновских лучей. Чем сложнее кристаллическая структура минерала, тем больше число плоскостей со своим межплоскостным расстоянием можно проследить в ней.

11 межплоскостные расстояния d

12 относительная интенсивность т.е. плотность заселения Ј

13 Согласно Закону Брэгга каждая точка (или отражение) в этой дифракционной картине формируется интерференцией рентгеновских лучей, проходящих через кристалл. Эти данные могут быть использованы для определения атомной структуры кристаллов. Лауэграмма

14 Дифрактограммы каолинитовых глин фракций 0,001 мм Стульневской впадины Дифрактограмма золы сухого отбора Барнаульской ТЭЦ 3

15 Пробоподготовка Предварительно образец тщательно растирают в агатовой ступке; полученный порошок прессуют в столбик диаметром 0,5–1,0 мм и высотой 7–10 мм. Столбик укрепляют на препарата держателе рентгеновской камеры и тщательно центрируют. В порошковом образце содержится множество мельчайших кристалликов с различной ориентировкой. Среди них всегда есть такие, которые расположены под определенными углами к рентгеновскому лучу и, следовательно, дают отражение. Чтобы количество таких кристалликов было еще больше, дно камеры с препарата держателем и образцом во время съемки вращается.

Рентгеноструктурный анализ позволяет решать следующие задачи: – определение кристаллической структуры минерала или синтетической фазы (характеристики элементарной ячейки – определение сингонии, симметрии, межплоскостных расстояний); – диагностика по структурным параметрам минерала или синтетической фазы. – изучение изоморфных серий твердых растворов, их полноты и типа (упорядоченности), выявление блочного изоморфизма; – изучение наличия различных видов дефектности (напряжений, вакансий, встроек, сверхструктуры); 16

– оценка степени дисперсности и величины кристаллов порошковых образований; – изучение устойчивости кристаллической структуры минерала и характера фазовых превращений при различного рода воздействиях – температурных, радиационных и т.п. – фазовый качественный анализ с диагностикой фаз и количественный с оценкой содержания фазовых компонентов; – изучение рентгено аморфных и аморфных фаз. 17

Современные дифрактометры высокого качества производят в России под маркой ДРОН-7 Дифрактометр ДРОН-7 18

19