Cтраница 1
Дифракционные методы связаны с изучением углового распределения рассеянного без потери энергии излучения. С помощью-дифракционных методов, использующих в качестве излучения, монохроматические рентгеновские лучи (рентгеноструктурный анализ), нейтроны (нейтронография), электроны (газовая электронография), определяют зависящее от геометрии молекул угловое распределение интенсивности рассеяния данных видов излучения.
Дифракционные методы, ограничиваясь почти чисто геометрическими задачами (связанными, конечно, с силовыми воздействиями, так как последние зависят прежде всего от межатомных расстояний), имеют ряд бесспорных преимуществ. Благодаря классическим работам Дебая, Лауэ, Эвальда, Цернике и Принса, углубленным и обобщенным многими теоретиками в последние годы, мы имеем хорошо разработанную оптику рентгеновских лучей, которая умело используется в теориях рассеяния электронных и нейтронных лучей. Во многих случаях удается почти однозначно рассчитать координаты атомов в элементарной ячейке монокристалла и однозначно определить кривую рассеяния по известной структуре или ее модели (как для кристаллов, так и для стекол или жидкостей), так же как и однозначно провести анализ Фурье экспериментальной кривой рассеяния и найти кривую радиального распределения.
Дифракционные методы хотя и наиболее трудоемкие, дают почти однозначные сведения о структурах молекул.
Дифракционные методы и прежде всего - методы рентгеновской дифракции такую возможность создают. Уже давно, как отмечалось выше, используют анализ рентгеновских рефлексов - дифракционных пиков при прохождении рентгеновских лучей сквозь решетку из атомов (кристаллическую решетку) - для определения координат атомов. В последние годы стремительно развивается и совершенствуется техника этого анализа, приводящая в конце концов к визуализации атомно-молекулярной структуры.
Дифракционные методы исследования, позволяют анализировать структуру материала, изучать несовершенства кристалли - ческого строения металлов и сплавов; упругие, остаточные напряжения, текстуру. Не останавливаясь подробно на методике элек-тронографических исследований и нейтронографии, отметим некоторые особенности этих методов.
Современные дифракционные методы позволяют определять электронную плотность молекул с достаточной точностью, и тогда, сравнивая ее с суперпозицией плотностей изолированных атомов, можно построить уже эмпирическую разностную картину плотности электронов.
Дифракционные методы исследования структуры являются расчетными.
Эти дифракционные методы до настоящего времени являются единственным способом изучения локализации молекул воды на поверхности и внутри белка. Они изобилуют ошибками, и данные часто неправильно интерпретируют даже тогда, когда экспериментальная работа выполнена тщательно. Фин-ней недавно сделал исчерпывающий и ясный обзор данных в этой области, подчеркнув факторы, влияющие на стабильность или нестабильность структуры нативного белка и роль воды в стабилизации структуры.
Поскольку обычные дифракционные методы и другие методы получения изображений2 нечувствительны к деталям конфигураций атомов вокруг ядра дислокации, обычно оказывается достаточным рассмотреть простую классическую модель поля деформаций дислокации, в основе которой лежит макроскопическая теория упругости. Рассмотрение часто ограничивают дополнительным допущением изотропности упругих свойств материала.
К оптическим и дифракционным методам относятся методы, основанные на взаимодействии электромагнитного излучения различной длины волны или потока частиц различной энергии с исследуемым веществом.
Исследования дифракционными методами показали, что наличие Н - связей приводит к сокращению длин межмолекулярных контактов по сравнению с суммой ван-дер-ваальсовых радиусов и по значению этого отклонения судят об их силе. У могут быть как прямыми, так и изогнутыми. Акцепторами Н - связей могут быть такие элементы, как F, О, N, Cl, S.
| Подвижные атомы водорода в симметричной (а и асимметричной.| Временная шкала различных методов. |
В дифракционных методах, как уже отмечалось, взаимодействие между молекулой и дифракционной волной длится гораздо меньше времени, чем движение внутри молекул.
В дифракционных методах исследования рентгеновское излучение, поток электронов или нейтронов взаимодействуют с атомами в молекулах, жидкостях или кристаллах. При этом исследуемое вещество играет роль дифракционной решетки. А длина волны рентгеновских квантов, электронов и нейтронов должна быть соизмерима с межатомными расстояниями в молекулах или между частицами в жидкостях и твердых телах. Сама же дифракция (закономерное чередование максимумов и минимумов) представляет собой результат интерференции волн. Она зависит от химического и кристаллохимического строения, следовательно, соответствует структуре исследуемого вещества. Обратная задача дифракции для рентгеновского излучения, дифрагирующего в конденсированных средах, называется рентгеноструктурным анализом. Методы применения электронных и нейтронных пучков вместо рентгеновского излучения называются электронографией и нейтронографией соответственно. Общим для этих методов является анализ углового распределения интенсивности рассеянного рентгеновского излучения, нейтронов и электронов в результате взаимодействия с веществом. Но природа рассеяния рентгеновских квантов, нейтронов и электронов не одинакова. Рентгеновское излучение рассеивается электронами атомов, входящими в состав вещества. Нейтроны же рассеиваются атомными ядрами; а электроны - электрическим полем ядер и электронных оболочек атомов. Интенсивность рассеяния электронов пропорциональна электростатическому потенциалу атомов.
Тема: Кристаллическое состояние силикатных материалов. Методы изучения структуры кристаллических веществ. Основные правила построения ионно-ковалентных структур.
Лекция № 4.
1. Силикаты в кристаллическом сосотянии.
2. Методы изучения структуры кристаллических веществ.a
3. Основные правила построения ионно-ковалентных структур.
ДТА - дифференциальный термический анализa
ТГ - термогравиметрический анализ
К дифракционным методам исследования структуры относятся рентгенография, электронография и нейтронография. Методы основаны на использовании излучений с длиной волны, соизмеримой с расстоянием между структурными элементами кристаллов. Проходя через кристалл, лучи дифрагируют, возникающая дифракционная картина строго соответствует структуре исследуемого вещества.
Метод дифракции рентгеновского излучения .
Развитие рентгеноструктурного анализа началось со знаменитого опыта М. Лауэ (1912), показавшего, что пучок рентгеновского излучения, проходя
через кристалл, испытывает дифракцию, причем симметрия, распределения дифракционных максимумов соответствует симметрии
кристалла. Дифракционные максимумы возникают во всех направлениях, отвечающих основному закону рентгеноструктурного анализа- уравнению Вульф а - Брэгга
Дифракционные методы можно условно разделить на две группы: 1) угол падения луча на кристалл постоянный, а длина излучения меняется; 2) длина волны постоянная, а угол падения меняется.
К методам первой группы относится метод Лауэ, заключающийся в том, что полихроматическое рентгеновское излучение направляется на неподвижный монокристалл, за которым располагается фотопленка. Из множества длин волн, имеющихся в полихроматическом излучении, всегда найдется такая волна, которая удовлетворяет условиям уравнения Вульфа - Брзгга. Метод Лауэ дает возможность выявить симметрию кристалла. К методам второй группы относятся методы вращения монокристалла и поликристаллического образца. В методе вращения монокристалла
монохроматический луч направляется на монокристалл, вращающийся вокруг оси, нормальной к направлению луча. При этом различные плоскости кристалла попадают в положение, соответствующее условиям дифракции, что приводит к образованию соответствующей дифракционной картины. Измерением интегральной интенсивности и определением набора структурных амплитуд можно расшифровать структуру кристалла.
При изучении поликристаллических материалов образец освещается монохроматическим излучением. В множестве произвольно ориентированных кристаллов всегда найдется такой, ориентировка которого отвечает уравнению Вульфа-Брэгга. Отраженный луч регистрируется фотоспособом (рис.2) либо ионизационными или сцинтилляционными счетчиками, сигнал через систему усилителей и пересчетных устройств подается на потенциометр, записывающий кривую распределения интенсивности (рис.3). По расположению дифракционных максимумов судят о геометрии решетки, а по их интенсивности - о распределении электронной плотности, т. е. о вероятности нахождения электронов в той или иной точке кристалла (рис. 4). Распределение электронной плотности дает возможность определять не только положение атомов в решетке, но и тип химической связи. Высокотемпературные приставки к дифрактометрам позволяют регистрировать полиморфные превращения при нагревании, следить за твердофазовыми реакциями.
Рентгенография дает также возможность изучать дефекты в кристаллах.
выход луча; 4 - область малых углов 9
Рис. 2. Съемка рентгенограммы поликристаллических образцов методом фоторегистрации:
Рис. 3. Рентгенограмма кварца, полученная на установке со сцинтилляционным методом регистрации
Метод дифракции электронов (электронография). Метод основан на том, что при взаимодействии с электростатическим полем атомов происходит рассеяние пучка электронов. В отличие от рентгеновского, электронное излучение может проникать лишь на небольшую глубину, поэтому исследуемые образцы должны иметь вид тонких пленок. При помощи электронографии можно, помимо определения межплоскостных расстояний в кристалле, изучать положение легких атомов в решетке, чего нельзя сделать при помощи рентгеновского излучения, слабо рассеивающегося легкими атомами.
Метод дифракции нейтронов . Для получения пучка нейтронов необходим атомный реактор, поэтому данный метод используется сравнительно редко. При выходе из реактора пучок значительно ослаблен, поэтому необходимо использовать широкий пучок и соответственно увеличивать размер образца. Преимуществом метода является возможность определения пространственного положения атомов водорода, что невозможно сделать другими дифракционными методами.
Рис. 4. Распределение электронной плотности (о) и структура (б) кристалла с ковалентной связью (алмаз)
