8.Методы исследования внутреннего строения кристаллов

Первыми вопросами, которые мы задаем себе, сталкиваясь с тем или

иным уникальным явлением природы, новым открытием или новым

свойством вещества, являются вопросы, связанные с сущностью наблюдаемого явления, его природой, причинами возникновения тех или иных свойств. А поскольку все основные свойства кристаллов, многие из которых делают их незаменимыми в различных областях научной и производственной деятельности человека, определяются как их составом, так и внутренним строением, т. е. закономерностями расположения материальных частиц — атомов и молекул, то особое значение при исследовании кристаллов приобретают методы, дающие наиболее полные сведения об их атомной структуре — дифракционные и спектроскопические методы, развитие которых связано с достижениями физики твердого тела. С помощью одних методов можно определить идеализированную структуру соединения с усредненным положением атомов, с помощью других — изучить реальную структуру с ее более тонкими особенностями, дефектами. Среди дифракционных наиболее распространены и доступны методы, основанные на дифракции рентгеновских лучей на кристаллах — так называемые рентгеноструктурный и рентгенофазовый методы анализа.

Следует также отметить нейтронографический и электронографический

методы, получившие в последние годы широкое распространение.

В экспериментальной области большую помощь кристаллохимии

оказывают многие методы молекулярной атомной и ядерной спектроскопии, работающие в различных диапазонах длин волн, такие как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), ядерный магнитный резонанс(ЯМР), инфракрасная спектроскопия (ИКС), ядерный гамма-резонанс(ЯГР) — эффект Мессбауэра, методы комбинационного рассеяния света(рамановская спектроскопия), термические исследования, методы рентгеновской спектроскопии, электронной спектроскопии, люминесцентные и др., позволяющие, в частности, решать специальные задачи, связанные с существованием дефектов в реальных кристаллах.

Современные физические методы исследования вещества, использующие

новейшую технику, позволяют количественно охарактеризовать некоторые из важнейших свойств кристаллов, а также познать и изучить

новые, ранее неизвестные их особенности.[8]

8.1ДИФРАКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА

К дифракционным методам исследования вещества относятся методы рентгенографии, электронографии и нейтронографии, основанные на общих принципах дифракции волн на кристаллической решетке. Различия касаются характера взаимодействия излучения с атомами кристаллического вещества. Если рентгеновские лучи рассеиваются электронами атомов, то электроны — действием электрического поля электронов атома и атомных ядер; рассеяние же нейтронов обусловлено их взаимодействием с ядрами вещества.[8]

8.1.1Рентгеновские методы

Рентгеновские методы исследования вещества, как наиболее простые и доступные, используются в современных лабораториях наиболее широко. Они основаны на использовании открытых в 1895 г. Немецким физиком В. К. Рентгеном Х-лучей, названных впоследствии его

именем. Однако долгое время природа этих лучей оставалась неясной.

Было лишь высказано предположение о возможном волновом характере

этого излучения и малой длине волн. И только в 1912 г. по инициативе

немецкого физика М. Лауэ и под его руководством ученики В. Рентгена

П. Фридрих и В. Книппинг, пропустив рентгеновские лучи через кристалл,

зарегистрировали их дифракцию. Кристалл в этом случае сыграл

роль дифракционной решетки. Таким образом, этим опытом, с одной

стороны, было подтверждено предположение о закономерном — решетчатом строении кристаллов, а с другой — установлена волновая природа рентгеновских лучей. Было определено, что длина волн рентгеновских лучей в 10 тыс. раз меньше длины волны видимого света, т.е. соизмерима с межатомными расстояниями в кристаллических структурах веществ и составляет 10~10-10""7 см.

Благодаря открытию дифракции рентгеновских лучей на кристаллах

стало возможным, с одной стороны, посредством кристаллов исследовать

рентгеновские лучи, а с другой — с помощью этих лучей изучать строение

кристаллов. Это второе направление и было названо рентгеновским

анализом.

Дифракционная картина, явившаяся результатом взаимодействия

рентгеновских лучей со структурой кристалла, несет информацию о строении, степени его кристалличности или аморфности. Для получения такой картины используются две особенности рентгеновских лучей: свойство проникать внутрь кристаллических тел и способность диффамировать от атомов, молекул, периодически повторяющихся в структурах кристаллов. М. Лауэ не только показал это экспериментально, но и дал математическую интерпретацию явления дифракции, ставшего основой современного учения о строении кристаллических тел.

Широкое применение рентгенографических исследований, автоматизация

процессов анализа, повышение точности исследований позволяют

на современном этапе решать существенные прикладные задачи:

1. диагностировать минералы;

2.изучать качественно и количественно состав горных пород и руд;

3.исследовать фазовые превращения в минералах под воздействием

высоких и низких температур, высоких давлений;

4.изучать изоморфные примеси;

5.определять степень дисперсности минералов;

6.изучать строение и дефектность кристаллических структур;

7.получать дифракционные картины с зерен минералов непосредственно

в шлифе.[8]