16. Природа рентгеновских лучей (открытие рентгеновских лучей, возможности рса)
Одним из важнейших методов изучения внутреннего строения кристаллических веществ является рентгеноструктурный анализ.
В основе этого метода лежит явление взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгеновских лучей.
Используя РСА можно получать информацию о:
фазовом составе,
среднем размере зерен,
внутренних упругих напряжениях,
плотности дислокаций,
постоянной решетки,
кристаллографической текстуре
Свое название рентгеновские лучи получили в честь немецкого физика Вильгельма Рентгена, который открыл их в 1895 году. Он заметил, что ранее неизвестные лучи засвечивают фотопластины, защищенные от воздействия света. Он установил также, что эти лучи возникают при столкновении электронов с веществом и не отклоняются магнитным полем.
В 1912 немецкими физиками М. Лауэ, В. Фридрихом и П. Книппингом была открыта дифракция рентгеновских лучей в кристаллических веществах. Направив узкий пучок рентгеновских лучей на неподвижный кристалл, они зарегистрировали на фотопластинке дифракционную картину, Рентенограмма, полученная таким методом, получила название лауэграммы.
В этом методе используется непрерывный спектр рентгеновского излучения, которое направляется на неподвижный монокристалл. Характерной особенностью лауэграммы является наличие центрального пятна, образованного неотклонённым рентгеновским пучком, а также большого количества пятен (рефлексов) число и расположение которых зависит от ориентации кристаллографических плоскостей относительно пучка.
17. Формула Вульфа-Брэгга
В 1913 г. австралийский физик У.Л.Брэгг и одновременно российский ученый Г.В.Вульф предложили наглядную трактовку возникновения дифракционных лучей в кристалле. Они показали, что дифракцию рентгеновских лучей можно объяснить, считая кристалл состоящим из параллельных плоскостей атомов, отстоящих друг от друга на межплоскостное расстояние d. При этом должны соблюдаться два условия.
Во-первых, рентгеновские лучи должны испытывать зеркальное отражение, при котором угол падения равен углу отражения.
Во-вторых, необходимо, чтобы лучи отраженные от соседних плоскостей взаимно усиливали друг друга в результате интерференции. В этом случае лучи испытавшие зеркальное отражение от двух соседних плоскостей имеют разность хода равную 2dsinq, где q - угол падения. Интерференция с усилением будет происходить только в том случае, если разность хода будет составлять целое число волн, что приводит к знаменитому соотношению Вульфа-Брэгга:
2dhklsinq = nl
где: dhkl – межплоскостное расстояние для
семейства плоскостей с индексами (hkl);
n – порядок отражения;
λ – длина волны;
θ – угол между падающим лучом и
поверхностью образца.
18. Свойства рентгеновского излучения (длина волны и энергия рентгеновского излучения)
В спектре электромагнитных волн рентгеновские лучи лежат в диапазоне от величины примерно 0,1 ангстрема до длины волны примерно 300 ангстрем.
Малая длина волны рентгеновского излучения по сравнению со световыми волнами, имеющими диапазон (400-760 нм), обуславливает их способность проникать сквозь непрозрачные для световых лучей объекты и вызывать, например, засвечивание фотопленки защищенные от воздействие света.
Длина волн рентгеновских лучей, имеющая величину порядка 2 ангстрема сравнима с межатомными расстояниями в кристаллах и размерами атомов.
Поэтому рентгеновские лучи часто используются для изучения структуры кристаллических веществ с помощью рентгеноструктурного анализа.
Энергия рентгеновского излучения равна:
E = hc/l
где: h - постоянная Планка, равная 6,6262.10-34 Дж.с,
c - скорость света в вакууме c = 2,9979.108 м/c.
Энергию жестких рентгеновских лучей традиционно выражают в электронвольтах (эВ), единицей которого является 1 эВ равный 1,6022.10-19 Дж.
Если длину волны l выразить в ангстремах, а ее энергию в электронвольтах, то энергия рентгеновского излучения будет равна, Е=12,4/l. Следовательно, рентгеновский диапазон длин волн 0,1 – 300 ангстрем соответствует примерно диапазону энергий 4,1 - 124 кэВ.
Эти значения энергии рентгеновских лучей примерно в 1000 раз выше, чем для волн видимого света, и сравнимы по величине с энергией связи внутренних электронов атома с ядром.
Эта особенность рентгеновских лучей привела к быстрому развитию рентгеновской спектроскопии, позволяющей получить сведения о строении электронных оболочек атомов, а также рентгеноспектральному анализу, с помощью которого можно быстро и надежно определить элементный состав самых разнообразных материалов.