ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11: Περίθλαση Ακτίνων-Χ και Νετρονίων από Κρυσταλλικά Υλικά

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11: Περίθλαση Ακτίνων-Χ και Νετρονίων από Κρυσταλλικά Υλικά"

Πλειόνη Μαρκόπουλος
6 χρόνια πριν
Προβολές:

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11: Περίθλαση Ακτίνων-Χ και Νετρονίων από Κρυσταλλικά Υλικά Εν γένει τρεις µεταβλητές διακυβερνούν τις διαφορετικές τεχνικές περίθλασης ακτίνων-χ: (α) ακτινοβολία µονοχρωµατική ή µεταβλητού λ (β) δείγµα µονοκρύσταλλος, «πούδρα» ή στερεό κοµµάτι (γ) ανιχνευτής απαριθµητής ακτινοβολίας ή φωτογραφικό φιλµ πηγή προσπίπτον δείγµα Περιθλόµενες ακτίνες ανιχνευτής Πείραµα περίθλασης ακτίνων-χ. ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ ΕΙΓΜΑ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ ΜΕΘΟ ΟΣ Σταθερό Μεταβλητό Οι διαφορετικές τεχνικές περίθλασης ακτίνων-χ. Οι πειραµατικές παράµετροι καθορίζονται από τον νόµο του Bragg 2d(hkl) sinθ = nλ Για να ικανοποιείται η συνθήκη για περίθλαση από ένα σετ κρυσταλλικών επιπέδων (hkl), µόνο µία από τις παραµέτρους λ ή θ µπορεί να έχει σταθερή τιµή. Η επιλογή της µεταβλητής παραµέτρου περιορίζει τις µεθόδους περίθλασης ακτίνων-χ στις εξής δύο περιτπώσεις: - θ σταθερή, λ µεταβλητό: µέθοδος Laue - λ σταθερό, θ µεταβλητή: µέθοδος περιστροφής µέθοδος «σκόνης» 161

2 11.3 Μέθοδος «Σκόνης» Ανάλυση Πολυκρυσταλλικών Υλικών Εργαστηριακή διάταξη Debye-Scherrer Κάµερα Μία µονοχρωµατική δέσµη ακτίνων-χ κτυπά ένα δείγµα λεπτόκοκκης «πούδρας» υλικού, που ιδανικά αποτελείται από κρυστάλλους διαταγµένους σε όλους τους δυνατούς προσανατολισµούς (Σχήµα 11α). Σχήµα 11α. Η µέθοδος «σκόνης». Σε ένα τέτοιο δείγµα «σκόνης», τα διαφορετικά κρυσταλλικά επίπεδα είναι παρόντα µε κάθε δυνατό προσανατολισµό. Εποµένως για κάθε σετ επιπέδων (hkl), τουλάχιστον µερικοί κρύσταλλοι θα είναι προσανατολισµένοι σε γωνία Bragg θ, ως προς την προσπίπτουσα δέσµη και εποµένως θα είναι ικανοί να περιθλούν τη δέσµη. Η περιθλόµενη δέσµη µπορεί να ανιχνευθεί π.χ. περιβάλλοντας το δείγµα µε µία ταινία φωτογραφικού φιλµ (Debye-Scherrer µέθοδος). Ο τρόπος λειτουργίας αφορά στο γεγονός ότι για κάθε σετ κρυσταλλικών επιπέδων, η περιθλόµενη ακτινοβολία σχηµατίζει την επιφάνεια ενός κώνου, όπως δείχνεται στο Σχήµα 11β. Σχήµα 11β. Ο σχηµατισµός «κώνου» περιθλόµενης ακτινοβολίας στη µέθοδο σκόνης. 162

3 Η µόνη συνθήκη για περίθλαση είναι τα επίπεδα να βρίσκονται σε γωνία θ ως προς την προσπίπτουσα κανένας περιορισµός δε τίθεται όσον αφορά τον γωνιακό προσανατολισµό των επιπέδων γύρω από τον άξονα της προσπίπτουσας δέσµης. Σε µία λεπτά διαιρεµένη σκόνη δείγµατος, οι κρύσταλλοι βρίσκονται σε όλους τους δυνατούς γωνιακούς προσανατολισµούς σε σχέση µε την προσπίπτουσα δέσµη και σαν αποτέλεσµα οι περιθλόµενες δέσµες που προκύπτουν εκπέµπονται από το δείγµα σε κώνους (κατά Laue) ακτινοβολίας (Σχήµα 11γ). - Ουσιαστικά κάθε κώνος είναι αποτέλεσµα ενός µεγάλου αριθµού περιθλόµενων δεσµών οι οποίες είναι πολύ κοντά η µία στην άλλη! 4θ Σχήµα 11γ. Κώνοι περίθλασης (κατά Laue) από ένα πολυκρυσταλλικό υλικό. - Αν η γωνία Bragg είναι θ, τότε η γωνία µεταξύ περιθλόµενης και µη-περιθλόµενης δέσµης είναι 2θ και το άνοιγµα του κώνου είναι 4θ. - Κάθε σετ επιπέδων δίδει το δικό τους κώνο ακτινοβολίας. Οι κώνοι ανιχνεύονται από µία στενή λωρίδα φιλµ τυλιγµένη γύρω από το δείγµα (Σχήµα 11α). - Κάθε κώνος «τέµνει» το φιλµ σε µορφή δύο κοντών «τόξων» τα οποία είναι συµµετρικά διατεταγµένα σε σχέση µε τις οπές εισόδου ή εξόδου της δέσµης στην «κάµερα». Σε ένα καλά κονιορτοποιηµένο δείγµα κάθε τόξο εµφανίζεται ως συνεχής γραµµή (Σχήµα 11δ). 163

4 S Σχήµα 11δ. Πειραµατική διάταξη (πάνω) και αντίστοιχο φωτογραφικό φιλµ (κάτω) µετά την έκθεση σε κάµερα Debye-Scherrer. Κατανόηση της αναπαράστασης ενός Debye-Scherrer διαγράµµατος περίθλασης από σκόνη: κώνοι κόβουν το φιλµ σε διάφορες γωνίες - χαµηλές γωνίες, γραµµές µε χαρακτηριστική καµπυλότητα καθώς οι κώνοι περίθλασης είναι στενοί και µεγάλο µέρος τους διατέµνεται από το φιλµ - κοντά στις 90º, µόνο µικρό µέρος τους διατέµνει το φιλµ και εποµένως ελαχιστοποιείται η καµπυλότητα των γραµµών - για τον προσδιορισµό της ισοαπόστασης, d των κρυσταλλικών επιπέδων, ο διαχωρισµός S µεταξύ δύο τόξων ενός ζεύγους κατά µήκος του φιλµ S 4θ µετράτε και αν R είναι η ακτίνα της κάµερας τότε: =, από όπου 2πR 360 υπολογίζεται η γωνία περίθλασης 2θ - µειονέκτηµα, η απώλεια εστίασης της δέσµης, απαιτεί µεγάλους χρόνους έκθεσης (6-24 hrs). Επίσης, για µεγάλες µοναδιαίες κυψελίδες και κρυσταλλικά σύστηµα χαµηλής συµµετρίας υπάρχει πρόβληµα στην ανάλυση του µεγάλου αριθµού των θέσεων των γραµµών (που προέρχονται από µεγάλο αριθµό κρυσταλλικών επιπέδων). χρησιµοποιείται η µέθοδος συγκλίνουσας δέσµης (µέθοδος εστίασης µε χρήση µονοκρυστάλλου Guinier) µε ιδιαίτερα υψηλή ανάλυση και µικρούς χρόνους έκθεσης (10 min 1 hr). 164

5 Περιθλασίµετρο «Σκόνης» Γίνεται χρήση ανιχνευτή ακτίνων-χ, συνήθως είτε θάλαµοι ιονισµού τύπου Geiger-Muller ή σπινθηριστές. Η γεωµετρία ανάκλασης είναι τέτοια που να εστιάζει τις σκεδαζόµενες δέσµες, οπότε και οδηγεί στη συλλογή δεδοµένων υψηλής διακριτικής ικανότητας. Ο ανιχνευτής ρυθµίζεται ώστε να σαρώνει, µε σταθερή ταχύτητα, µία γωνιακή περιοχή 2θ γύρω από το δείγµα οπότε διατέµνει τους κώνους περίθλασης κατά Bragg (Σχήµα 11ε). κύκλος εστίασης δείγµα κύκλος περιθλασίµετρου Σχήµα 11ε. Γεωµετρία εστίασης ενός περιθλασίµετρου Bragg-Brentano. S= πηγή ακτίνων-χ, F= ο ανιχνευτής. Τότε η ένταση των σκεδαζόµενων ακτίνων-χ είναι µη-µηδενική αφού ικανοποιείται η συνθήκη του Bragg. Επακολούθως η ένταση, Ι της περιθλόµενης δέσµης καταγράφεται (σε µια ψηφιακή έξοδο) σαν συνάρτηση της γωνίας, 2θ, του ανιχνευτή (Σχήµα 11ζ). 165

6 Σχήµα 11ζ. Τυπικό «διάγραµµα σκόνης» (powder pattern) που συλλέγεται µε ένα περιθλασίµετρο Bragg-Brentano. Η κλίµακα είναι γραµµική ως προς της γωνία 2θ και η ισοαπόσταση, d των κρυσταλλικών επιπέδων υπολογίζεται µέσου του νόµου του Bragg. 166

Σχετικά έγγραφα

ΑΣΚΗΣΗ 1. Περίληψη. Θεωρητική εισαγωγή. Πειραματικό μέρος

ΑΣΚΗΣΗ 1. Περίληψη. Θεωρητική εισαγωγή. Πειραματικό μέρος ΑΣΚΗΣΗ 1 Περίληψη Σκοπός της πρώτης άσκησης ήταν η εξοικείωση μας με τα όργανα παραγωγής και ανίχνευσης των ακτίνων Χ και την εφαρμογή των κανόνων της κρυσταλλοδομής σε μετρήσεις μεγεθών στο οεργαστήριο.