Избранные методы структурных исследований твердых веществ в лаборатории и на источниках синхротронного излучения. Задачи с решениями. Задачник

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет естественных наук

Кафедра химии твердого тела

ИЗБРАННЫЕ МЕТОДЫ СТРУКТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТВЕРДЫХ ВЕЩЕСТВ В ЛАБОРАТОРИИ И НА ИСТОЧНИКАХ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

ЗАДАЧИ С РЕШЕНИЯМИ

Задачник

Новосибирск

2023

Введение

Экспериментальные исследования, дающие информацию о строении твердых веществ, – тот фундамент, на котором строятся сегодня многие области науки – химия, физика, науки о материалах и науки о Земле, науки о жизни, фармация, археология и даже культурология. Спектр методов, которые позволяют определить геометрические и энергетические характеристики химических связей и взаимодействий в твердых веществах, очень широк. С их помощью возможно определить элементный состав, объемную структуру на атомном уровне, наличие определенных видов дефектов, размер частиц, степень упорядоченности, доменное строение как отдельных частиц, так и поликристаллических образцов (моно- и

полифазных), а также материалов на их основе. Для реализации таких методов могут быть использованы как лабораторное научное оборудование, так и установки класса мегасайенс, в которых генерируется синхротронное излучение или потоки нейтронов.

Для эффективного использования возможностей современных инструментальных методов исследования необходимы не только специалисты, непосредственно занятые обслуживанием установок, но и широкий круг пользователей, умеющих грамотно поставить задачу исследования, предложить план эксперимента, проанализировать получаемую информацию, оценить возможные источники недостоверности получаемых моделей. С этим связана необходимость знакомства широкого круга учащихся с основами данных методов и их возможностями.

В настоящем задачнике представлены задачи по трем группам методов структурного исследования веществ и материалов, наиболее часто использующихся в исследованиях. Пособие рассчитано на студентов вузов, аспирантов, а также всех, кто хотел бы расширить свой кругозор уже после получения базового образования. Пособие состоит из трех основных разделов (блоков) с заданиями, раздела «Ответы и решения», а также списка

рекомендованной литературы. В первом блоке приведены задания на понимание основных принципов генерации рентгеновского излучения и его взаимодействия с веществами. Во втором блоке собраны задания, связанные с рентгенодифракционными методами исследования, включая рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ. В третьем блоке содержатся задания по основам рентгеновской спектроскопии поглощения. Задания сформулированы в двух видах: тесты, требующие выбора правильного ответа из нескольких вариантов, и задачи, требующие развернутого решения. Основные параметры для расчетов приводятся в заданиях, однако выбор принципов и приближений для решения, а также знание значений основных «мировых» констант ложится на читателя. В заключительном разделе приведены ответы на все задания. Ответы на задачи даны вместе с решениями и содержат исчерпывающие комментарии, необходимые для понимания последовательностей действий, приводящих к ответам. Такие

4

задачи используются в Новосибирском государственном университете при преподавании различных дисциплин в рамках междисциплинарной магистерской программы «Методическое обеспечение физико-химических

исследований конденсированных фаз», реализуемой кафедрой химии твердого тела факультета естественных наук и кафедрой физических методов исследования твердых тел физического факультета при тесном взаимодействии с Научно-координационным советом синхротрона 4-го

поколения, строящегося в Новосибирской области (Сибирский кольцевой источник фотонов, «СКИФ»).

5

Блок 1. Рентгеновское и синхротронное излучение

Задача 1

Характеристическое рентгеновское излучение возникает при …

Выберите один вариант ответа.

1)торможении электронов в кулоновском поле атомов анода

2)переходе электрона с остовного уровня в валентную зону

3)переходе электрона с вышележащего уровня на остовную вакансию

4)переходе электрона из валентной зоны в зону проводимости

Задача 2

Какой диапазон энергии соответствует рентгеновскому излучению?

Выберите один вариант ответа.

1)1 эВ – 10 эВ

2)100 эВ – 100 кэВ

3)500 кэВ – 1 мэВ

4)1 эВ – 100 мэВ

Задача 3

Приведен фрагмент спектра рентгеновской трубки с медным анодом. Соотнесите пики.

Задача 4

Монохроматор – это устройство, которое предназначено для …

1)выделения узкого диапазона длин волн из широкого спектра

2)изменения длины волны падающего излучения

3)расщепления полихроматического пучка излучения на множество пучков с разными длинами волн

4)для увеличения интенсивности излучения

6

Задача 5

В результате прохождения полихроматического излучения через монохроматор…

Выберите один вариант ответа.

1)интенсивность излучения не изменяется

2)интенсивность излучения падает

3)интенсивность излучения возрастает

4)интенсивность излучения не изменяется, но изменяется его энергия

Задача 6

Форма спектра синхротронного излучения …

Выберите один вариант ответа.

1)зависит только от энергии частиц в накопителе

2)зависит от типа и параметров вставного устройства

3)зависит от количества частиц в накопителе

4)не зависит ни от энергии частиц в накопителе, ни от типа и параметров вставного устройства, ни от количества частиц в накопителе

Задача 7

Функция рассеяния электромагнитного излучения изолированного атома…

Указать все правильные ответы.

1)зависит от природы рассеивающего атома

2)зависит от угла рассеяния

3)зависит от длины волны рассеиваемого излучения

4)возрастает с увеличением атомного номера рассеивающего атома

5)с увеличением атомного номера рассеивающего атома возрастает в некотором диапазоне углов рассеяния и уменьшается вне этого диапазона

Задача 8

Длина волны рентгеновского излучения составляет 0,05 нм. Какой энергии фотона это соответствует?

1)2,48 кэВ

2)24,8 кэВ

3)2,48 МэВ

4)24,8 эВ

Задача 9

Выберите вариант, в котором источники рентгеновского излучения расположены в порядке увеличения длины волны.

1)Ag K 1→ Mo K 1→ Cu Kβ→Cu K 1→ Cu K 2→ Fe K 1 → Сr K 1

2)Ag K 1→Cr K 1→Cu Kβ→Cu K 2→Сu K 1→Cr K 1→Fe K 1

3)Cu Kβ→Cu K 2→Сu K 1→Cr K 1→Fe K 1→Ag K 1→Cr K 1

4)Сu K 1→Cu K 2→Cu Kβ→Fe K 1→Cr K 1→ Mo K 1→Ag K 1

7

Задача 10

Тормозное рентгеновское излучение…

Выберите один вариант ответа.

1)является полихроматическим, но состоит из отдельных спектральных линий

2)является полихроматическим, причем спектр сплошной, и не ограничен по энергии ни сверху, ни снизу

3)является полихроматическим, причем спектр сплошной, и ограничен по энергии снизу

4)является полихроматическим, причем спектр сплошной, и ограничен по энергии сверху

Задача 11

Характеристическое рентгеновское излучение от запаянной трубки:

Выберите один вариант ответа.

1)не является поляризованным

2)является циркулярно поляризованным

3)является квадратно поляризованным

4)является кубически поляризованным

Задача 12

Рентгеновское излучение рассеивается на:

Выберите один вариант ответа.

1)ядрах атомов

2)протонах

3)нейтронах

4)электронах

5)всех заряженных частицах

Задача 13

Поглощение рентгеновского излучения вне области края поглощения:

Выберите один вариант ответа.

1)не зависит от длины волны излучения

2)меньше для более коротких волн

3)меньше для более длинных волн

4)не зависит от материала

Задача 14

Рентгеновское излучение:

Выберите правильный вариант ответа.

1)имеет коэффициент преломления больше единицы

2)не преломляется при прохождении через любую среду

3)имеет действительную часть показателя преломления меньше единицы

4)преломляется одинаково, независимо от среды, через которую проходит

5)имеет отрицательный коэффициент преломления

8

Задача 15

Рентгеновское излучение при поглощении:

Выберите правильный вариант ответа.

1)приводит к нагреванию образца, через который проходит

2)приводит к охлаждению образца, через который проходит

3)не изменяет температуру образца, через который проходит

4)нагревает образец на одну и ту же температуру, независимо от состава образца (при одинаковом времени взаимодействия с веществом)

5)нагревает любой образец на одну и ту же температуру, независимо от длины волны излучения (при одинаковом времени взаимодействия с веществом)

Задача 16

Общим у рентгеновского и инфракрасного излучения является следующее:

Выберите правильные варианты ответа.

1)энергия превосходит энергию видимого света

2)оба вида излучения – электромагнитные волны

3)скорость прохождения через среду для них одинакова

4)оба вида излучения преломляются при прохождении через среду

5)оба вида излучения при поглощении вызывают нагрев образца

Задача 17

Излучение от лазерной указки, человеческого тела, испускаемое при аннигиляции позитрона и электрона, испускаемое при излучательном переходе электрона с более высокого уровня на вакантный нижележащий уровень в переходном металле, является, соответственно:

Выберите правильные варианты ответа.

1)видимым, инфракрасным, гамма, рентгеновским

2)рентгеновским, инфракрасным, гамма, видимым

3)инфракрасным, рентгеновским, гамма, видимым

4)гамма, рентгеновским, видимым, инфракрасным

5)инфракрасным, видимым, гамма, рентгеновским

Задача 18

Какая энергия (в Дж) соответствует мягкому рентгеновскому излучению с длиной волны 10 нм:

Выберите правильный вариант ответа.

1)9,81·10−18

2)0,55·10−17

3)1,99·10−17

4)2,56·10−17

9

Задача 19

Какая энергия (в эВ) соответствует мягкому рентгеновскому излучению с длиной волны 10 нм:

Выберите правильный вариант ответа.

Задача 20

Расположите в порядке возрастания энергии: а) фотон с энергией 8 кэВ б) фотон с длиной волны λ = 1,7712 Å

в) фотон с волновым вектором k = 3,801 Å-1 г) фотон с энергией 0,96 фДж д) фотон с частотой ν=1,57·1018 Гц

е) фотон угловой частотой ω=6,08·1018 рад/с

Выберите правильный вариант ответа.

1)а-б-в-г-д-е

2)е-г-д-б-в-а

3)б-а-д-г-в-е

4)е-а-в-д-г-б

Задача 21

Для рентгеновского излучения:

Выберите все правильные варианты ответа.

1)вакуум или воздух являются более оптически плотными средами по сравнению с твердыми веществами

2)при падении рентгеновского луча под малым углом скольжения из вакуума на гладкую поверхность вещества происходит полное внешнее отражение этого луча

3)при выходе рентгеновского луча из твердого материала в вакуум возможно полное внутреннее отражение

4)фазовая скорость рентгеновского излучения в веществе превосходит скорость света в вакууме

Задача 22

Вам необходимо исследовать качество стального стержня, находящегося внутри цементной стены на глубине 1 см. Рентгеновское излучение какой энергии (в кэВ) для этого необходимо использовать:

Выберите правильный вариант ответа.

1)10

2)25

3)40

4)100

10