طيف سنج 1 پراش اشعه ايكس (XRD) ناحيه پرتو x در طيف الكترومغناطيس در محدوده بين پرتو γ و پرتو فرابنفش قرار دارد. با استفاده از اين ناحيه طيفي ميتوان اطلاعاتي در خصوص ساختار جنس ماده و نيز تعيين مقادير عناصر بدست آورد. از اين رو روشهاي پرتو x در شيمي تجزيه كاربرد زيادي دارند[ 1 ]. اگر يك دسته الكترون سريع و پرانرژي به يك هدف فلزي در يك لوله تخليه برخورد كند. الكترونها در اين برخورد سرعت خود را از دست داده و قسمتي از انرژي جنبشي آنها به پرتو x تبديل ميگردد. پرتو حاصل كه به صورت يك طيف پيوسته ظاهر ميشود داراي حداقل طول موج و يا حداكثر فركانس است كه به حداكثر انرژي الكترونها وابسته بوده و از رابطه زير پيروي ميكند: =hc/λ Ve=hV max min hc 12400 λ min = = Ve V A o كه در آن V ولتاژ سرعت دهنده در طول لوله e بار الكترون h ثابت پلانك υ فركانس و C سرعت نور است. طول موج ماگزيمم در طيف پيوسته 1/5 برابر طول موج مينيمم است و طول موجها بر حسب A o هستند.[2 ] توليد خطوط طيفي پرتو : x با افزايش پتانسيل ميتوان انرژي الكترونها را به حدي رساند كه قادر باشد يك الكترون از تراز انرژي k اتم هدف خارج كند. در نتيجه الكترون تراز L جاي خالي اين الكترون را پر ميكند و يك فوتون پرتو x خارج 1-X-Ray Diffraction 1
ميگردد. بدين ترتيب طيف پيوسته پرتو x شامل يك خط طيفي يا خط ويژه عنصر مربوطه خواهد بود كه آن k α مينامند. انرژي اين خط ويژه توسط معادله زير تعيين ميگردد: را -E κ = E L E κα M ساير جهشهاي الكتروني از ترازهاي بالاتر K مانند جهش موجب پيدايش خط طيفي ديگري K β مانند ميشود[ 3 ]. پراش پرتو : x با روش پراش پرتو x طول موجهاي مختلف را ميتوان جدا ساخته و اندازهگيري نمود. چون طول موجهاي پرتو x با فواصل بين اتمها در مواد بلوري برابر است بنابراين مواد بلوري براي پرتو x ميتوانند نقش توري پراش را ايفا كنند. در شكل 1 بخشي از تابش پرتو x به سطح بلور توسط اتمهاي اولين لايه پخش شده است و 2 قسمت ديگر آن توسط لايه دوم پخش ميگردد و الي آخر. طبق رابطه براگ پديده بازتابش و پخش تداخل سازنده طول موجها به شرح زير بيان ميشود: AB+BC=n λ AB=BC= d Sinθ n λ = 2d Sinθ رابطه اصلي براگ گوياي اين مطلب است كه تقويت پرتو بازتابش شده از دو سطح مختلف بلورها زماني حاصل ميشود كه اختلاف دو مسير براي دو تابش نوراني برابر مضرب كاملي از طول موج باشد[ 4 ]. 2 - Bragg 2
شكل 1 پراش پرتو x توسط يك بلور روشهاي پراش پرتو X 1- از تك بلورهاي با ساختار هندسي مشخص ميتوان به عنوان تكفام ساز در طيف سنجهاي پرتو x استفاده نمود. (شكل 2) شكل 2 - تصوير هندسي دوربين پودري دباي شرر. پرتو از صافي F و موازي كننده براي برخورد به نمونه x وارد ميشود. پرتو مركزي منحرف نشده از داخل سوراخ E كه در C d 2 و غيره اثر ميگذارد. d 1 و فيلم P تعبيه شده است خارج ميشود. پرتو پراشيده بر روي فيلم در نقاط 2- طرح پراش ايجاد شده توسط يك جسم بلوري براي شناسايي آن جسم به كار ميرود. 3- در بلورشناسي طرحهاي حاصل از تعداد زيادي اتم در جهتهاي مختلف ميتواند جزي يات طرح 3
ساختماني اتمها در بلور را نشان دهد و بنابراين ميتوان اطلاعات دقيقي در مورد شكل ساختماني تركيب بدست آورد. يك دستگاه پراش كه با شبكه پراش بلوري با فواصل مشخص و معلوم كار ميكند و تحت عنوان طيفسنج پرتو x ناميده ميشود دقيقا مشابه طيفسنج شبكهاي نورمري ي است. غالبا براي پوشش تمام ناحيه طول موجي چندين بلور تجزيهگر مورد نياز است و بايد بتوان آنها را با دقت فراوان بر پايهاي سوار و تعويض نمود. مو ثر بودن يك بلور در جدا كردن تابشهاي عناصر توسط نمودار پراش تعيين ميگردد (شكل 3). اين نمودار از 3 ترسيم زاويه انحراف مشاهده شده روي زاويه ياب نسبت به عدد اتمي Z عنصر فلوي ورسان حاصل ميشود[ 5 6 ]. شكل 3- نمودار پراش پرتو x براي تعدادي از بلورها 3 - Goniometer 4
در مواد كريستالي پهناي پيك تفرق اشعه ايكس با كاهش ضخامت صفحات كريستالي افزايش مييابد. مفيدترين الگو براي استفاده از روش XRD براي محاسبه اندازه دانه استفاده از عرض پيك ماكزيمم در نصف ارتفاع است كه طرح شماتيك آن در شكل (4 ( آمده است. پهناي پيك در نصف ارتفاع به تعداد صفحات انعكاسدهنده كريستالي بستگي دارد. 4 فرمول شرر اندازه دانه كريستالي را برحسب پهناي پيك تفرق اشعه ايكس در نصف ارتفاع و ساير شرايط تفرق ميدهد. 0.9λ D = B p در اين رابطه D اندازه دانه كريستالي λ طول موج اشعه ايكس و B p پهناي پيك ماكزيمم در نصف ارتفاع آن است. شكل 4- پهناي پيك در نصف ارتفاع قابل ذكر است براي اندازهگيري دقيق اندازه دانهها با استفاده از پهناي پيك آناليز XRD بايد اثر كرنش داخلي دانهها در پهناي پيك نيز لحاظ شود. 4 - Scherrer 5
كاربردها 1- اندازه گيري ميانگين فواصل بين لايه ها يا سريهاي اتمي. 2- تعيين موقعيت تك بلور يا دانه و ترتيب اتمها. 3- فهميدن ساختار كريستالي مواد ناشناخته. 4 -تعيين مشخصات ساختاري شامل : پارامترشبكه اندازه و شكل دانه كرنش تركيب فاز و تنش داخلي مناطق كريستالي كوچك. 5 -در روش XRD با استفاده از رابطه شرر ميتوان در شرايط خاص اندازه دانههاي نانومتري را تعيين كرد. 6 -تشخيص فازهاي كريستالي و موقعيت آنها. 7 -اندازه گيري ضخامت فيلمهاي نازك و چندلايه.[7 8] مراجع : 1-Braun, R. D., Introduction to Instrumental Analysis, McGraw-Hill, New York, 1987. 2-Christian, G. D., O'Reilly, J. E. (eds.), Instrumental Analysis, Prentice-Hall, New Jersey, 1986. 3-Ewing, G. W., Instrumental Methods of Chemical Analysis, Mc Graw-Hill, Singapore, 1985. 4-Freiser, H., Concepts and Calculations in Analytical Chemistry, CRC, Florida, 1992. 5-Skoog, D. A., West, D. M., Principles of Instrumental Analysis, Holt-Saunders, Tokyo, 1987. 7- دكتر علي معصومي شيمي دستگاهي دانشگاه آزاد اسلامي تهران شمال. 1374 8 -دكترپرويزمرعشي ميكروسكوپهاي الكتروني و روشهاي نوين آناليزابزارشناسايي دنياي نانو دانشگاه علم و صنعت ايران. 1383 6
ضميمه 1- ليست XRD هاي موجود در ايران X-Ray Diffraction دستگاه طيف سنج پراش اشعه ايكس رديف دانشگاه مدل نوع يت PW-1390 دانشگاه صنعتي شريف مطالعه ساختار و مواد- 1 JDX -8030 دانشگاه علم و صنعت ايران دانشكده مواد و متالوژي 2 Advanced 8 دانشگاه سيستان و بلوچستان 3 PW3040 دانشگاه صنعتي اصفهان آزمايشگاه دانشكده مواد 4 PW3710 Mpd آزمايشگاه پژوهشگاه مواد و انرژي 5 - دانشكده شهيد بهشتي پژوهشكده گياهان و مواد داروي ي 6 D-5000 پژوهشگاه پليمر و پتروشيمي ايران 7 X Pert Prompd دانشگاه كاشان آزمايشگاه طيف سنجي اشعه ايكس 8 PW 3040/60 شركت لعاب مشهد مو سسه تحقيقاتي پر طاووس 9 دانشگاه صنعتي سهند آزمايشگاه مواد نانو ساختاري D8 10 پژوهشتگاه صنعت نفت آزمايشگاه ميكروسكوپ الكتروني PW1840 11 7
X-Ray Diffraction(XRD) طيف سنج پراش اشعه ايكس رديف دانشگاه مدل نوع يت دانشگاه تهران مهندسي متالورژي و مواد رزرو - 12 مركز تحقيقاتي نسوز آذر رزرو STADI-P 13 دانشگاه تبريز دانشكده شيمي رزرو D-500 14 ضميمه فهرست مدل هاي مختلف XRD X-Ray Diffraction ( XRD) طيف سنج پراش اشعه ايكس رديف مدل شركت كشور انگلستان Oxford XDS-2000 1 هلند Panalytical MPD 2 8