Дифракция электронов и электронный микроскоп
Электроны, подобно рентгеновским лучам и нейтронам, рассеиваются атомными плоскостями. Электронные дифракционные картины получаются с помощью просвечивающего (трансмиссионного) электронного микроскопа (ПЭМ). Отличие дифракции электронов от рентгеновских лучей и нейтронов заключается в том, что дифракция электронов происходит приблизительно в 100 раз интенсивнее, что позволяет исследовать гораздо меньшие объемы вещества, чем при рентгеновских исследованиях. Главное различие, однако, состоит в том, что электроны, в отличие от рентгеновских лучей могут фокусироваться магнитными линзами, что с легкостью позволяет получать изображение на ПЭМ. Существует много общего в получении изображения в обычном поляризационном микроскопе и в электронном. У ПЭМ источником электронов является нить электронной пушки. Электроны образуются при прохождении через нить сильного электрического тока и ускоряются за счет разности потенциалов между анодом и катодом. Затем пучок электронов проходит через ряд электромагнитных линз, которые фокусируют электроны в пучок. После этого пучок проходит через образец, и электроны рассеиваются атомными плоскостями. Затем дифрагированный пучок проходит через линзы объек5тива, а затем через систему промежуточных и проекционных линз, которые служат для увеличения изображения и проецирования его на экран. Для того, чтобы электроны не рассеивались, в колонне микроскопа создают вакуум. Для электронно-микроскопических исследований применяют очень тонкие образцы (толщиной менее 1 мкм), а для того, чтобы получить изображение образец должен быть не толще 10 нм (это достигается растирание образца в порошок).
Методы исследования химического состава минералов
Наиболее широкое применение в настоящее время получили методы анализа минералов, основанные на испускании атомами характеристического рентгеновского излучения. Рассмотрим два основных метода: электронно-зондовый (микрзондовый) и рентгено-флуоресцентный микроанализ (РФА) минералов. Ни один из этих методов не может определить содержание легких элементов (лития, водорода и бериллия), поэтому для определения состава этих элементов применяют другие аналитические методы.
До промышленного выпуска электронного зонда провести полный анализ химического состава минерала было трудоемко, требовалось довольно значительное количество материала (не менее 0,1 г), его чистота. Весь материал использовался при анализе. Методы мокрой химии, хотя и являются очень точными, если выполняются опытным аналитиком, весьма трудоемки и позволяют получить лишь средний состав, без учета неоднородностей образца, его зональности. В настоящее время эти проблемы успешно решены из-за развития таких методов как электронно-зондовый и рентгено-флуоресцентный микроанализы.
Электронно-зондовый микроанализ
Как мы уже говорили, ионизирующее излучение может вызвать перемещение электрона с внутренней оболочки атома. Дальнейшая перестройка оболочки приводит к выделению кванта энергии – характеристического рентгеновского излучения. Для данного образца число испускаемых квантов с любой характеристической энергией (или длиной волны) зависит от концентрации присутствующего элемента.
В электронном зонде ионизирующее излучение представляет собой пучок электронов с высокой энергией, который генерируется внутри электронной пушки. Во многих отношениях колонна электронного зонда похожа на колонну просвечивающего электронного микроскопа. Колонна зонда содержит в себе электронную пушку, помещенную в камеру, в которой продуцируются электроны. В колонне прибора электроны фокусируются в узкий пучок с помощью магнитных линз (диаметр пучка около 1 мкм). Пучок фокусируется на образце, расположенном в специальной камере. Характеристическое рентгеновское излучение, испускаемое образцом, фиксируется и обрабатывается электронным способом (рис. 27). Суть электронно-зондового анализа состоит в сопоставлении рентгеновского излучения исследуемого образца с набором стандартов. Другими словами, испускаемые образцами рентгеновские лучи сравниваются с теми, которые получены в тех же экспериментальных условиях от стандартов известного состава. Одно из главных преимуществ такого анализа состоит в том, что используемый образец не повреждается. Обычно это петрографический шлиф или полированный фрагмент, который после анализа можно использовать для оптического исследования.
Рис. 27Схема электронно-зондового микроанализатора. Показаны электронная
колонна и две возможные аналитические системы: слева – дисперсионный
спектральный анализ длин волн; справа – энергетический дисперсионный
анализ (ЭДС) (по Х. Батти, А. Принг, 2001).
В электронно-зондовом микроанализе существует два способа, с помощью которых можно разделить, объединить в пучок и подсчитать кванты рентгеновского излучения. В ходе энергетического дисперсионного спектрального (ЭДС) анализа кванты разделяются в соответствии с их характеристическими энергиями. В ходе кристалл-дифракционного анализа рентгеновские лучи разделяются по их характеристическим длинам волн, для этого используются дифракционные свойства кристаллов.