- •5. Методы исследования твердого тела Рентгенофазовый анализ
- •Возникновение непрерывного и линейчатого (атомного) спектра.
- •Закон Мозели.
- •Четыре квантовых числа.
- •Принцип Паули.
- •Основные сведения по физике рентгеновских лучей. Спектры испускания лучей.
- •Спектры поглощения рентгеновских лучей.
- •Рассеяние свободным электроном.
- •Эффект Комптона.
- •Фотоэффект.
- •Суммарное поглощение рентгеновского излучения веществом.
- •Спектры поглощения рентгеновского излучения.
- •Дифракция рентгновских лучей
- •Вывод уравнения Лауэ.
- •Вывод уравнения Вульфа – Брэгга.
- •Аппаратура для рентгененофазового анализа Принципиальная схема рентгеновской установки типа дрон.
- •Выбор основных параметров съемки дифрактограмм на рентгеновской установк типа дрон.
- •Приготовление образцов для проведения рентгенофазового анализа.
- •Съемка дифрактограмм. Метод Брентано.
- •Съемка рентгенограмм в монохроматическом излучении
- •Идентифкация вещества по межплоскостным расстояниям.
- •Индицирование рентгенограмм порошка.
- •Критерии правильности индицирования рентгенограмм.
- •Обратная решетка.
- •Индицирование рентгенограмм порошка. Индицирование рентгенограмм кубических веществ. Закон погасания.
- •Индицирование рентгенограмм в случае средних сингоний.
- •Аналитический метод индицирования рентгенограмм ромбических кристаллов (метод Хесса - Липсона).
- •Индицирование дебаеграмм методом Ито.
- •Метод подбора изоструктурного соединения.
- •Метод гомологии расшифровки рентгенограмм.
- •Переход от кубической ячейки к гексагональной.
- •Политипия. Интерпретация рентгенограмм слоистых структур со сложным характером чередования связей.
- •Источники ошибок в определении межплоскостных расстояний.
- •Зависимость точности в определении межплоскостного расстояния d от угла отражения .
- •Поправка на преломление.
- •Определение размеров кристаллитов и микронапряжений.
- •Метод определения областей когерентного рассеяния (окр).
Поправка на преломление.
С учетом поправки на преломление уравнеие Вульфа – Брэгга имеет вид
Для постоянной решетки кубического кристалла
,
где - плотность вещества.
Поправка в величины и может быть введена по формулам
.
При определении параметров решетки с точностью менее 0,001 и 0,005 % поправку на преломление можно не учитывать.
Определение размеров кристаллитов и микронапряжений.
При исследовании неметаллических объектов существует 2 вида несовершенств решетки: микронапряжения (дефекты II рода) и статические искажения структуры (дефекты III рода).
Микронапряжения – наибольшие отклонения параметров решетки от средних значений. Для веществ с кубической симметрией мерой искажения можно считать отношение , где а – среднее значение параметра кубической ячейки, a – максимальное отклонение от среднего а.
Микронапряжения возникают при образовании твердых растворов внедрения, когда внедряющиеся атомы (С,N,O) статически заполняют часть пустот решетки, а также в ряде других случаев. Характерным признаком присутствия микронапряжений является уширение линий. Микронапряжения определяются при помощи расчетов по методу определения областей когерентного рассеяния.
Метод определения областей когерентного рассеяния (окр).
При малых размерах ( 50 нм) кристаллов (блоков когерентного рассеяния) начинает появляться заметное расширение линий на рентгенограммах.
Ширина линии – это ширина линии прямоугольного профиля, у которой максимальная и интегральная величина интенсивности равны максимальной и интегральной интенсивности экспериментальной линии, т.е. - относительно площади дифракционной линии к ее высоте (в радианах).
Помимо размеров кристаллитов и микронапряжений расширение линий на рентгенограммах вызывается дублетностью K - излучения и рядом факторов, зависящих от условий съемки (ширина линии зависит от размеров щели счетчика). Для учета этого расширения (инструментальной ширины b применяют съемку со стандартом, для которого расширение линии обусловлено только условиями съемки, спектральной шириной дублета K1 и K. Достаточно точно вычислить истинную ширину линии по экспериментальной ширине B и ширине стандарта b можно зная функции описывающие распределение интенсивности дифракционной линии исследуемого вещества F(x) и стандарта f(x), так как
,
для описания экспериментальных кривых f(x) и F(x) обычно подбирают одну из трех функций:
, ,
Если обе кривые выражаются функцией , то ,
если , то .
Обычно используется функция - она хорошо передает форму дифракционной кривой.
При подборе аппроксимационной функции необходимо расчитать в приводимых функциях. Для расчета необходимо сопоставить площади, ограничиваемые реальной линией и кривыми ранее приведенных функций.
Для этого необходимо проинтегрировать все три функции. Площади, ограничиваемые приведенными кривыми равны соответственно
, и
По определению ширины линии для экспериментальной кривой
,
если Iмакс = 1, то
для функции (4),
для функции (3)
для функции (2)
как показано на рис.
Все три кривые пересекают экспериментальную линию. Отношение площадей несовпадающих участков к площади, ограничиваемой истинной кривой и может служить мерой близости аппроксимации к истинной кривой. Выбирается та из функций, для которых это отношение меньше.
Следует учитывать влияние дублетности излучения и инструментальных искажений на профиль экспериментальной кривой. Для линий с небольшими углами исправление профиля – среднее арифметическое для y при х, равных по величине, но разных по знакам, т.е. среднее для левой и правой части кривой.
Для линий с большими углами , следует выделять составляющую дублета K1 (рис. ).
Размытая линия является суммой K1 и K2. Отношение максимального и (интегрального) значений интенсивностей для дублета 1 и 2 будет . Если кривые для обоих компонентов смещены одна от другой на , то
Суммарная функция y(x) связана соотношением
Уравнение используется для графического разделения линий на дублеты.
При x < , это позволяет рассчитать вклад кривой на следующем участке кривой (до 2) и вычислить значения на этом участке и производится подбор аппроксимационной функции. Для кубических кристаллов (при отсутствии микронапряжений) размер кристаллитов L в ангстремах могут быть найдены по формуле
,
где - длина волны
- дифракционный угол
- выражена в единицах 2 (и в радианах), т.е. величина найденная в масштабе углов должна быть удвоена.
Значения L, найденные из линий с разными индексами могут различаться между собой при отклонении формы частиц от кубической, а также из-за одновременного влияния на ширину линии размеров кристаллитов и микронапряжений.
Если расширение обусловлено только микронапряжениями
Таким образом, расширение линий, вызванное малыми размерами кристаллитов и микронапряжениями, по разному зависят от дифракционного угла , в первом случае
,
а во втором
Во избежание влияния формы частиц, величины L и целесообразно сравнивать 1 и 2 для линий, отличающихся порядком отражений т.е. имеющих индексы mh, mk, ml и nh, nk, nl, например 111, 222 и т.д.
Суммарное расширение линии
,
где m – доля расширения линии, обусловленная размерами кристаллитов
n – микронапряжения
N(x), M(x) – функции распределения интенсивности в линии, связанные с величиной кристаллитов и микронапряжений, соответственно.
Обычно обе функции близки к и .
Для раздельного определения влияния определенных факторов находят и наносят на график величины в зависимости от . По нанесенным точкам проводят прямую до пересечения с осью ординат. величина соответствующая = 0 дает истинное значение , а тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс дает значения .
В случае ромбической сингонии
,
где - величина кристаллитов найденная из расширения линии hkl,
a,b,c – параметры решетки,
La, Lb, Lc – размеры кристаллитов в направлениях периодов решетки.
Для вычисления La, Lb, Lc необходимо найти Lhkl для трех различных значений hkl.
Точность определения величины кристаллитов невелика, особенно если не учитывать профиль линии, и поэтому можно пренебречь отклонением частиц от кубической формы. Расширение линии может быть вызвано искажением решетки. Для отличия расширения линии от искажения необходимо сравнить профили линии с разными индексами.