Цель и задачи курса

Цель: изучить основы рентгеноструктурного анализа материалов и получить представление о его возможностях.

Задачи:

• понять суть физических процессов, лежащих в основе механизма излучения рентгеновских лучей и взаимодействия их с веществом;

• получить представление о технических и методических особенностях рентгеноструктурного анализа;

• освоить основные методы исследования тонкой структуры материалов, включая наноразмерные системы.

Введение

В основе рентгеноструктурного анализа лежит получение и последующий анализ дифракционной картины, которая возникает в результате интерференции рентгеновских лучей, рассеянных электронами атомов облучаемого вещества. Структуру вещества исследуют, анализируя распределение в пространстве рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения, а также величину его интенсивности.

Методами рентгеноструктурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соединения, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы белков, нуклеиновых кислот и т.д.

При исследовании кристаллов он даёт наибольшую информацию. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданною самой природой дифракционную решётку для рентгеновских лучей. Однако он доставляет ценные сведения и при исследовании тел с менее упорядоченной структурой, таких, как жидкости, аморфные тела, жидкие кристаллы, полимеры и другие вещества.

На основе многочисленных уже расшифрованных атомных структур может быть решена и обратная задача: по рентгенограмме вещества может быть установлен его фазовый состав, т.е. выполнен фазовый анализ.

Методы рентгеноструктурного анализа позволяют: прецизионно измерять параметры кристаллической решетки и проводить идентификацию веществ; анализировать несовершенства кристаллической структуры (дислокации, дефекты упаковки, макронапряжения и т.д.); устанавливать размеры кристаллических блоков; проводить фазовый и текстурный анализ; исследовать процессы образования и распада твердых растворов; методами малоуглового рассеяния определять размеры и форму пор и дисперсных частиц.

Для того, чтобы исследовать тонкую структуру материалов, нужно иметь инструмент, сопоставимый по размерам с исследуемым объектом. Таким инструментом являются рентгеновские лучи, поскольку длина волны рентгеновского излучения сопоставима с размерами кристаллической решётки материалов (λ ≈10^-1 нм).

Рентгеновское излучение – это электромагнитное излучение широкого диапазона длин волн 10 - 10^-3 нм, которое можно получить при бомбардировке вещества быстро летящими электронами или фотонами. В шкале электромагнитных волн рентгеновское излучение расположено между ультрафиолетовым и γ -излучением.

Распространяются рентгеновские лучи прямолинейно, не отклоняясь электрическим и магнитным полями. На границе различных сред они преломляются, однако преломление очень мало (коэффициент преломления близок к 1) и им можно пренебречь.

Рентгеновское излучение регистрируется благодаря способности засвечивать светочувствительные материалы (фотографическая регистрация), вызывать свечение некоторых веществ (люминесцирующие экраны, сцинтилляционные счетчики), ионизировать газы (газовые счетчики).

Малые длины волн и соответственно очень большие энергии рентгеновского излучения обусловливают его высокую проникающую способность.

Источником рентгеновского излучения служат рентгеновские трубки (РТ).