Работа 1 Рентгеноструктурный анализ

Цель: определить вещество, из которого сделан исследуемый образец, тип его кристаллической решетки, постоянную решетки и количество атомов в элементарной ячейке.

Оборудование: рентгеновский аппарат УРС-55, камера РКД для исследования поликристаллических веществ, образец исследуемого вещества, штангенциркуль.

Краткое теоретическое обоснование Возбуждение рентгеновских лучей

Рентгеновские лучи возникают при бомбардировке какого-нибудь вещества электронами, движущимися с высокими скоростями. Рентгеновские лучи получают в специальных электровакуумных приборах — рентгеновских трубках.

Рис. 1.1. Схема рентгеновской трубки

Рентгеновская трубка представляет собой стеклянную емкость, из которой откачан воздух (давление газа в трубке не превышает 10^–3 Па). В противоположные концы трубки впаяны электроды — анод и катод. Катод сделан из вольфрамовой проволоки в виде спирали. Спираль нагревается электрическим током и является источником свободных электронов. Анод — массивный медный стержень, который одним концом направлен к катоду. В торец анода впаивается тонкая пластинка какого-нибудь металла, которая называется зеркалом анода. Структура трубки и схема ее включения показана на рисунке 1.1.

Под воздействием электрического поля, созданного напряжением, которое приложено к электродам трубки, свободные электроны, покинувшие катод в результате его нагревания, с большой скоростью будут двигаться к аноду. При столкновении с анодом электроны резко тормозятся, в результате чего и возникают рентгеновские лучи. В общем случае они состоят из двух компонентов — тормозного и характеристического излучения.

Тормозной рентгеновский спектр

Скорость движения электронов в рентгеновской трубке, а значит и их кинетическая энергия определяется разностью потенциалов между катодом и анодом:

.

При столкновении с анодом электрон резко тормозится и его энергия движения переходит в энергию фотона:

, (1)

где е — заряд электрона, U — разность потенциалов, h — постоянная Планка, с — скорость света;  — частота колебаний фотона,  — длина волны.

Рис. 1.2. Распределение интен-сивности рентгеновского излуче-ния в сплошном спектре

Торможение электронов на аноде рентгеновской трубки может происходить по-разному: одни из них тормозятся мгновенно на самой поверхности анода, что соответствует фотону с максимальным значением энергии; другие проникают вглубь анода и постепенно теряют свою энергию, поэтому будут иметь меньшую энергию. В результате торможения электронов возникают фотоны с разной энергией, а поскольку количество фотонов, выделившихся в единицу времени, очень большое, то тормозной спектр является непрерывным с резкой границей со стороны коротких волн. Характер относительного распределения энергии в спектре тормозного рентгеновского излучения при разных напряжениях показан на рисунке 1.2. Очень часто тормозное рентгеновское излучение называют «сплошным» или «белым» по аналогии с белым светом.

Характеристический рентгеновский спектр

Многочисленными исследованиями рентгеновского излучения было выявлено, что кроме неоднородных лучей торможения при некоторых условиях возникают однородные лучи, длина волн которых зависит от вещества анода рентгеновской трубки и не зависит от приложенного к трубке напряжения. Этот тип рентгеновского излучения был назван характеристическим.

Дальнейшие исследования показали следующее:

Рис. 1.3. Схема спектрограммы характе-ристического рентгеновского излучения

1. Характеристический рентгеновский спектр состоит из нескольких групп линий — серий, которые значительно отличаются друг от друга длиной волны. Для более тяжелых элементов таких серий было найдено четыре — K, L, M, N (рис. 1.3).

2. Каждая серия состоит из определенного числа спектральных линий, которые обозначаются буквами греческого алфавита    с индексами 1, 2 и т. д. (например, , , ).

3. Характеристические спектры разных элементов примерно одинаковы по числу и взаимному расположению линий в сериях и отличаются друг от друга только длиной волны. С увеличением номера элемента весь спектр смещается в коротковолновую область.

Рис. 1.4. Схема возникновения отдельных серий характеристического рентгеновского излучения

4. Все линии любой серии возникают одновременно, как только напряжение на электродах рентгеновской трубки, а значит и энергия электронов достигает определенной величины, характерной для этой серии. Это напряжение называется потенциалом возбуждения данной серии.

Перечисленные закономерности характеристического спектра позволяют дать теорию его возникновения, основанную на квантовой теории строения атома. Так, например, для возбуждения K-серии рентгеновского спектра необходимо перевести электрон из самого внутреннего уровня энергии K на периферию атома (рис. 1.4). Это возбуждение может быть выполнено одним из электронов, бомбардирующих вещество анода в рентгеновской трубке. При этом энергия ускоренного полем электрона должна быть равна или больше энергии связи электрона K‑слоя со своим ядром. Иначе говоря, напряжение на электродах рентгеновской трубки должно быть не меньше некоторого определенного значения. Свободное в слое K место будет в то же время занято за счет одного из электронов из высших энергетических уровней. В результате возникает рентгеновский фотон, энергия которого численно равна разности энергий оставленного им уровня и уровня, на который он перешел:

, (2)

где — энергия электрона на более отдаленной орбите, — энергия электрона на более близкой орбите.

Поскольку описанный выше процесс возбуждения K-серии наблюдается одновременно в большом количестве атомов, а вероятность перехода электрона из вышерасположенных слоев в K-слой неодинаковая, то все спектральные линии возникают одновременно, а их интенсивность, определяемая вероятностью переходов, будет разной. На рисунке 1.4 схематически показано возникновение K- и L-серии рентгеновских лучей. На самом деле характеристический рентгеновский спектр имеет более сложную структуру.

Практическое значение в рентгеноструктурном анализе имеют только особые линии K-серии — , , . При этом для удобства проведения анализа работу ведут на -лучах, считая что , а -лучи поглощаются селективным фильтром. В качестве фильтра берется вещество с порядковым номером на единицу меньше, чем порядковый номер вещества анода рентгеновской трубки (например, анод из меди, фильтр из никеля).