Лекция 14

Методы исследования структуры и химического состава минералов. Дифракция рентгеновских лучей. Виды дифракционных исследований. Порошковый метод рентгенографии. Монокристалльный метод рентгенографии. Дифракция нейтронов. Дифракция электронов и электронный микроскоп. Электронно-зонжовый микроанализ. Рентгеновский флуоресцентный микроанализ.

Методы исследования структуры минералов

Для идентификации минералов часто бывает необходимо установить их структуру, т.е. пространственное расположение атомов в элементарной ячейке. Главные из этих методов основаны на дифракции рентгеновских лучей и других видов излучений, которая вызывается плоскостями атомов, входящих в структуру минерала. Детально определить строение кристаллической структуры минерала по полученной дифракционной картине достаточно трудно, но эту картину можно использовать для целей идентификации. Важное место в определении структуры является установление ее симметрии, для чего используется дифракционная картина, а не морфология кристалла. Методы дифракции рентгеновских лучей используются довольно широко, поэтому мы рассмотрим их более детально, а затем рассмотрим дифракцию нейтронов и электронов.

В 1912 г. Фридрих, Книппинг и фон Лауэ установили, что, проходя через кристалл, рентгеновские лучи рассеиваются, и с этого момента начался мощный прогресс в науке XX в. Почти сразу же У. Л. Брэгг показал, что рассеянные лучи можно рассматривать как результат отражения от плоскостей атомов, входящих в кристаллическую структуру. Он также продемонстрировал, каким образом по дифракционной картине можно определить пространственное расположение атомов на этих плоскостях и, следовательно, в кристаллической структуре. За последние 90 лет были детально изучены структуры почти всех минералов, а также большого числа неорганических, органических и биологически важных соединений. За эти исследования, выполненные на уровне открытий, в 1914 г. Лауэ была присуждена Нобелевская премия по физике, а У. Л. Брэгг и его отец У. Г. Брэгг получили такую же награду в 1915 г. Не менее 14 Нобелевских премий было присуждено за открытия, сделанные с использованием рентгеновского структурного анализа кристаллов и тесно связанных с ним методов, что свидетельствует большом значении их для современной науки.

Дифракция рентгеновских лучей

По дифракции рентгеновских лучей было установлено, что минералы имеют определенную структуру с заданным набором атомов соответствующих размеров и заряда, занимающих в ней определенные позиции (узлы).

Рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное излучение с длинами волн от 0,002 до 10 нм (для дифракционных исследований обычно используют длины волн от 0,07 до 0,23 нм). Рентгеновское излучение с более короткими волнами называется жестким и т. к. они могут проходить через ткани, не причиняя им вреда, они используются в медицине. Более длянноволновое излучение поглощается биологическими тканями, поэтому может причинить серьезные ожоги.

Рентгеновские лучи возникают под действием потока ионизирующего излучения, представленного пучком электронов или других рентгеновских лучей, бомбардирующих атомы в веществе. Электроны тормозятся при соударении с атомами и при этом возникает непрерывный рентгеновский спектр, так называемое «белое излучение». Рентгеновские лучи образуются также в тех случаях, когда электрон внутренней оболочки атома выбивается ударом ионизирующего пучка. Вакансия на внутренней оболочке заставляет перестраиваться электроны. И при этом происходит перемещение электрона с внешней (более энергоемкой) на внутреннюю (менее энергоемкую) орбиталь. При этом происходит выброс кванта энергии определенной длины волны – возникает характеристическое рентгеновское излучение, присущее определенным атомам.

Длинны волн рентгеновского излучения, используемого в кристаллографии, меньше, чем расстояние между узлами решетки, но приблизительно такой же величины, как расстояние между атомами в кристалле, т. е. сопоставимы с длиной их связи. Поэтому точно так же, как свет дифрагирует на решетке с очень близко расположенными линиями, так и рентгеновские лучи рассеиваются атомами, слагающими трехмерную кристаллическую решетку.

Для получения рентгеновского излучения используют рентгеновскую трубку, представляющую собой электровакуумный прибор. Электроны, испускаемые нагретой вольфрамовой нитью, служащей катодом, под действием разности потенциалов между катодом и анодом величиной от 20 до 100 кВ ударяются о служащую анодом металлическую мишень. Анод изготавливается из чистого металла, который позволяет получить и непрерывный и характеристический рентгеновские спектры. Сформированный таким образом пучок рентгеновских лучей выходит из трубки через окна, сделанные из тонкой бериллиевой фольги (бериллий очень слабо поглощает рентгеновские лучи).