2. Бөлім. Толқындардың конденсирленген ортамен әсерлесуі

2.1. Кристалдардың құрылымын зерттеу үшін қолданылатын электромагнитті толқындар

Кейбір кристалды үлгілердің сыртқы симметриясы жөнінде ақпаратты макроскопиялық және микроскопиялық зерттеулердің көмегімен алуға болады. Дегенмен, көрінетін және ультракүлгін сәулеленудің ( ~ 5000 —1000 А) рұқсат ету қабілеттілігі кристалдағы молекулалар мен атомдардың кеңістікте орналасуы мен олардың арасындағы қашықтығын анықтау үшін айтарлықтай жеткіліксіз, өйткені бұл арақашықтық шамасы бірнеше ангстремді құрайды (10 ^-10м).

Қандай да бір объектінің құрылымын микроскоп астында зерттеу, жалпы жағдайда, толқын ұзындығы төмендегі теңсіздікпен анықталатын, арақашықтан кем болатын сәулеленуді пайдалануды болжайды:

_зерт< d_өлш (2.1)

Бұл жағдайда геометриялық оптика заңдарын қолдануға болады. (2.1) шартын қанағаттандыратын сәулеленудің толқын ұзындығы жоғары энергиялы қатты -сәулеленуге, - сәулеленуге сәйкес келеді. Дегенімен, қатты гамма -сәулеленудің затпен әлсіз әсерлесуінің салдарынан оны қолдану қиындықтарды тудырады. - сәулеленудің (электрондар) керісінше, үшөлшемді кристалдың құрылуын талдау үшін өтімділік қасиеті жеткіліксіз. Оған қарамастан, белгілі құрылымы бар кейбір кристалдардың бетіндегі жазық атомдық торлардың микроскопиялық бейнесін алуға мүмкіндік беретін, жоғары рұқсат етілген электронды микроскоп бар.

Соңғы жылдары сканерлеуші туннелді микроскоптар (СТМ) мен атомдық күштік микроскоптардың (АКМ) мүмкіндіктерімен байланысты микроқұрылымдық зерттеулердің жаңа әдістері пайда болды.

Дегенмен, қазіргі уақытта кристалдық құрылымды зерттеудің дифракциялық әдістері өте жақсы дамыған, онда атомдық жазықтармен әсерлесетін диффракциялық толқындарды қолданады. Осы толқындардың ұзындығының шамасы кристалдағы атом арасындағы қашықтық шамасымен салыстырмалы болуы керек:

_зерт ~ d_hkl (2.2)

Фотондар, нейтрондар мен электрондардың дифракциясын қолдану арқылы да кристалдың құрылымын зерттейді. Осы әдістер арқылы қарапайым ұяшықтың өлшемін, ядролардың орналасуын, ұяшықтағы электрондардың үлестірілуін анықтауға болады. Дифракцияланған толқынның сырғу бұрышы қристалдың құрылымы мен түсетін сәуленің толқын ұзындығына тәуелді.

Рентгендік сәулелер. Рентгендік сәулелердің квантының энергиясын мына қатынасқа сәйкес анықтауға болады:

Е _рент=hν=hc/λ (2.3)

мұндағы h = 6,62x10 ^-34 Дж∙с — Планк тұрақтысы, v және — сәуленің жиілігі мен толқын ұзындығы, с — вакуумдағы жарық жылдамдығы. Практикалық мақсат үшін бұл теңдеуді мына түрде жазу ыңғайлы:

(Å) = 12,4/Е(кэВ) (2.4)

Осыдан 1Å толқын ұзындығына Е ~ 12 кэВ энергия сәйкес келетіндігін көруге болады. Сондықтан кристалдарды зерттеу үшін квант энергиясы 10-50кэВ болатын рентгендік сәулелену қажет. Мұндай сәулеленуді екі механизм арқылы алуға болады:

1) металды нысанадағы жылдам электрондарды тежеумен (тежегіш сәулелену). Тежеу барысында, электродинамика заңдылығына сәйкес, қозған бөлшек электромагнитті сәуле шығару керек. Бұл сәулеленудің спектрі бірқалыпты кең спектр болады;

2) жылдам электрондар мен нысана атомдарының ішкі электрондарымен серпімсіз соқтығысуы (сипаттамалық сәулелену). Бұл сәулеленудің спектрі атом электрондарының жоғары энергиялы қозуларымен байланысты сызықты спектр болады. Нәтижесінде сәулеленудің спектрі жіңішке сызық болады. Түрлі металлды нысаналарды қолдана отырып монохроматты рентгендік сәулеленудің түрлі толқын ұзындықтарын алуға болады.

Нейтрондар. Бөлшектердің кинетикалық энергиясы және импульсі мына теңдеумен байланысты:

(2.5)

Ал толқын ұзындығы мен импульс – мына теңдеумен:

(2.6)

Сонда нейтрон үшін де-Бройль толқын ұзындығы мен оның энергиясы мына қатынаспен байланысты болады:

(2.7)

Мұндағы m_n = 1,675х10^-27 кг - нейтронның массасы. Практикалық мақсат үшін осы теңдеуді мына түрде жазған ыңғайлы:

_n(Å) = (2.8)

Сәйкесінше, 1Å толқын ұзындығына Е_n = 0,08 эВ энергиясы сәйкес келеді, ал нейтрондар осындай энергиямен 4000 м/с жылдамдықпен қозғалады. Нейтрондар заттармен бірнеше әдіс арқылы өзара әсерлеседі:

1) магниттелмейтін кристалдарда нейтрондар атомдардың тек ядроларымен әсерлеседі, өйткені нейтронның заряды жоқ ал оның массасы атом бұлтшасының электрондарының массасынан әлдеқайда көп. Егер осы жағдайда серпімді, когерентті шашырау болса, онда дифракцияны байқауға болады. Нейтрондар мен рентгенді сәуленің дифракциялық суреттері бірдей;

2) нейтрондардың магниттік моменттерінің болуының арқасында олар магнитті кристаллдардың – ферро-, ферри-, антиферро-, парамагнетиктердің электрондарының магнитті моменттерімен өзара әсерлеседі, ол арқылы кристаллдардың магниттік қасиеттері жөнінде ақпарат алуға болады;

3) баяу нейтрондар тордың тербелісіне кететін серпімсіз шашырау процесіне қатысады, ол осындай тербелістерді зерттеуге мүмкіндік береді.

Электрондар. Де-Бройль толқын ұзындығы мына теңдеумен анықталады:

(2.9)

Мұндағы m_e = 0,911х10^-30кг –электронның массасы. Практикалық мақсат үшін мына теңдеу ыңғайлы:

_е(Å) = (2.10)

1 Å толқын ұзындығына Е_е = 150 эВ энергиясы сәйкес келеді, ал электрондардың жылдамдықтары шамамен 7∙10⁶м/с. Өйткені электрон – зарядталған бөлшек, ол затпен өте жақсы әсерлеседі және серпімді және серпімсіз шашырауға келмей тұрып ол кристаллға бірнеше ангстремге еніп кете алады. Сондықтан көлемді кристаллдың құрылымы сәулелену үшін электрондардың дифракциясы жарамсыз болып қалады. Электронография әдетте кристаллдардың жазықтықты қабаттарын, беттерінің жағдайын, жұқа қабыршықты зерттеу кезінде қолданылады.