تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس - چیست؟ آنالیز ساختاری اشعه ایکس کریستال ها و تفسیر الگوهای پراش آنالیز ساختاری اشعه ایکس.

بیایید روش دیگری را برای تجزیه و تحلیل جامدات در نظر بگیریم، همچنین با تابش کوانتومی مرتبط است، اما در قسمت طول موج کوتاه‌تر طیف قرار دارد. تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس(XRD) روشی برای مطالعه ساختار اجسام با استفاده از پدیده پراش اشعه ایکس است. این روش شامل مطالعه ساختار یک ماده بر اساس ارزیابی توزیع فضایی شدت تابش پرتو ایکس پراکنده است.

از آنجایی که طول موج پرتوهای ایکس با اندازه اتم و ثابت شبکه جسم کریستالی قابل مقایسه است، هنگامی که یک کریستال با اشعه ایکس تابش می شود، یک الگوی پراش مشاهده می شود که به طول موج X- بستگی دارد. پرتوهای استفاده شده و ساختار جسم. برای مطالعه ساختار اتمی از تابش با طول موج مرتبه چند آنگستروم استفاده می شود.

روش های آنالیز پراش اشعه ایکس برای مطالعه فلزات، آلیاژها، مواد معدنی، ترکیبات معدنی و آلی، پلیمرها، مواد آمورف، مایعات و گازها، مولکول های پروتئین، اسیدهای نوکلئیک و ... استفاده می شود که این روش اصلی برای تعیین ساختار بلورها است. هنگام مطالعه آنها، RSA معتبرترین اطلاعات را ارائه می دهد. در این حالت نه تنها اجسام تک کریستالی معمولی را می توان آنالیز کرد، بلکه ساختارهای دارای نظم کمتری مانند مایعات، اجسام آمورف، کریستال های مایع، پلی کریستال ها و غیره را نیز می توان آنالیز کرد.

بر اساس ساختارهای اتمی متعددی که قبلاً رمزگشایی شده‌اند، مشکل معکوس نیز حل شده است: از الگوی پراش اشعه ایکس یک ماده چند کریستالی، به عنوان مثال، فولاد آلیاژی، آلیاژ، سنگ معدن، خاک قمری، ساختار کریستالی این ماده ایجاد می‌شود، یعنی. ، تجزیه و تحلیل فاز انجام می شود.

در حین پراش اشعه ایکس، نمونه مورد مطالعه بر روی پرتوهای اشعه ایکس قرار می گیرد و الگوی پراش حاصل از برهم کنش پرتوها با ماده ثبت می شود. در مرحله بعد تحلیل می کنند

برنج. 15.35.

الگوی پراش و با محاسبه، موقعیت نسبی ذرات در فضا را که باعث پیدایش این الگو شده است، تعیین می کند. شکل 15.35 عکسی از یک تنظیم تحلیلی را نشان می دهد که روش پراش اشعه ایکس را پیاده سازی می کند.

آنالیز پراش اشعه ایکس مواد کریستالی در دو مرحله انجام می شود. اولین مورد تعیین اندازه سلول واحد یک کریستال، تعداد ذرات (اتم ها، مولکول ها) در سلول واحد و تقارن آرایش ذرات (به اصطلاح گروه فضایی) است. این داده ها با تجزیه و تحلیل هندسه مکان حداکثر پراش به دست می آیند.

مرحله دوم محاسبه چگالی الکترون در داخل سلول واحد و تعیین مختصات اتم ها است که با موقعیت حداکثر چگالی الکترون مشخص می شود. چنین داده هایی با اندازه گیری شدت حداکثر پراش به دست می آیند.

روش های تجربی مختلفی برای به دست آوردن و ثبت الگوی پراش وجود دارد. با هر روشی، منبع تابش اشعه ایکس، سیستمی برای جداسازی پرتو باریکی از اشعه ایکس، دستگاهی برای ایمن سازی و جهت دهی نمونه نسبت به محور پرتو، و گیرنده تابش پراکنده شده توسط نمونه وجود دارد. گیرنده فیلم عکاسی یا شمارنده یونیزاسیون یا سوسوزن کوانتای اشعه ایکس یا وسیله دیگری برای ثبت اطلاعات است. روش ثبت با استفاده از شمارنده (پراش سنجی) بالاترین دقت را در تعیین شدت تابش ثبت شده ارائه می دهد.

روش های اصلی عکاسی با اشعه ایکس از کریستال ها عبارتند از:

• روش Laue;
• روش پودر (روش دبایگرام)؛
• روش چرخش و تنوع آن - روش نوسان.

هنگام تیراندازی روش Laueپرتویی از تشعشعات غیر تک رنگ روی یک نمونه تک کریستالی می افتد (شکل 15.36، آ).فقط آن دسته از پرتوهایی که طول موج آنها شرایط ولف-براگ را برآورده می کند، پراش می شوند. آنها نقاط پراش را روی آنها تشکیل می دهند Lauegram(شکل 15.36، ب)که در امتداد بیضی ها، هذلولی ها و خطوط مستقیم قرار دارند و لزوماً از پرتو اولیه از نقطه عبور می کنند. ویژگی مهم Lauegram این است که با جهت گیری مناسب کریستال، تقارن محل این منحنی ها تقارن کریستال را منعکس می کند.

برنج. 15.36. عکاسی اشعه ایکس با استفاده از روش Laue: آ -طرح تابش: ب- Lauegram معمولی؛ / - پرتو اشعه ایکس. 2 - کولیماتور; 3 - نمونه؛ 4 - پرتوهای پراش؛ 5 - فیلم تخت

با توجه به ماهیت لکه های روی Lauegrams، تنش های داخلی و سایر عیوب در ساختار کریستالی قابل شناسایی هستند. نشان دادن نقاط فردی دشوار است. بنابراین، روش Laue منحصراً برای یافتن جهت دلخواه کریستال و تعیین عناصر تقارن آن استفاده می شود. این روش کیفیت تک کریستال ها را هنگام انتخاب نمونه برای مطالعه ساختاری کامل تر بررسی می کند.

استفاده كردن روش پودر(شکل 15.37، آ) و همچنین در روش های عکاسی اشعه ایکس که در زیر توضیح داده شده است، از تابش تک رنگ استفاده می شود. پارامتر متغیر زاویه برخورد 0 است، زیرا یک نمونه پودر پلی کریستالی همیشه حاوی کریستال هایی با هر جهتی نسبت به جهت پرتو اولیه است.

برنج. 15.37. روش پودر اشعه ایکس: آ- نمودار روش؛ ب- الگوهای پراش پرتو ایکس پودر معمولی (Debyegrams). 1 - پرتو اولیه؛ 2- نمونه پودر یا پلی کریستال؛ 3 - مخروط های پراش

پرتوهایی از تمام کریستال هایی که صفحاتی با فاصله بین صفحه ای مشخص دارند d hkjدر "موقعیت انعکاسی" قرار دارند، یعنی شرایط Wulf-Bragg را برآورده می کنند و مخروطی را با زاویه شطرنجی 40 درجه در اطراف پرتو اولیه تشکیل می دهند.

به هر duktمربوط به مخروط پراش آن است. تقاطع هر مخروط پرتوهای ایکس پراش با نواری از فیلم عکاسی که به شکل یک استوانه پیچیده شده است، که محور آن از نمونه عبور می کند، منجر به ظاهر شدن آثاری به شکل کمان هایی می شود که به صورت متقارن قرار گرفته اند. نسبت به تیر اولیه (شکل 15.37، ب).با دانستن فواصل بین "قوس های متقارن"، می توانید فواصل بین صفحه ای مربوطه را محاسبه کنید ددر کریستال

در دستگاه های مدرن، به جای یک فیلم عکاسی که در امتداد یک سطح استوانه ای نورد می شود، از یک سنسور با دیافراگم کوچک و سطح پنجره دریافت کننده استفاده می شود که به طور گسسته در امتداد یک سطح استوانه ای حرکت می کند و فیلم می گیرد. الگوی پراش.

روش پودری ساده‌ترین و راحت‌ترین روش از نقطه نظر تکنیک تجربی است، با این حال، تنها اطلاعاتی که ارائه می‌کند - انتخاب فواصل بین‌سطحی - به ما امکان می‌دهد فقط ساده‌ترین ساختارها را رمزگشایی کنیم.

که در روش چرخشپارامتر متغیر زاویه 0 است. تصویربرداری روی فیلم استوانه ای انجام می شود. در تمام مدت زمان قرار گرفتن در معرض، کریستال به طور یکنواخت حول محوری می چرخد ​​که با برخی جهت های کریستالوگرافی مهم و محور استوانه ای که توسط فیلم تشکیل شده است، می چرخد. پرتوهای پراش در امتداد ژنراتیک مخروط ها حرکت می کنند، که هنگام تقاطع با لایه، خطوطی متشکل از نقاط ایجاد می کنند. (خطوط لایه).

روش اسپین اطلاعات بیشتری نسبت به روش پودری ارائه می دهد. از فواصل بین خطوط لایه، دوره شبکه در جهت محور چرخش کریستال قابل محاسبه است.

این روش تشخیص لکه های رادیوگرافی را آسان تر می کند. بنابراین، اگر کریستال حول محور شبکه بچرخد، تمام نقاط روی خطی که از رد پرتو اولیه می گذرد دارای شاخص هایی هستند (A, به, در باره)،روی خطوط لایه مجاور آن - به ترتیب (A, ک، من)و (الف، الف، من)با این حال، روش چرخش تمام اطلاعات ممکن را ارائه نمی دهد، زیرا مشخص نیست که در چه زاویه ای از چرخش کریستال حول محور چرخش یک نقطه پراش خاص تشکیل شده است.

هنگام تحقیق روش نوسان،که یک تغییر از روش چرخش است، نمونه تحت یک چرخش کامل قرار نمی گیرد، اما در یک فاصله زاویه ای کوچک حول همان محور "نوسان می کند". این امر نشان‌دادن نقاط را آسان‌تر می‌کند، زیرا به فرد اجازه می‌دهد تا الگوی چرخش اشعه ایکس را در قسمت‌ها به دست آورد و با دقتی تا مقدار فاصله نوسانی، در چه زاویه‌ای از چرخش کریستال به پرتو اولیه تعیین کند. هر نقطه پراش ظاهر شد.

حتی اطلاعات کامل تری با روش های گونیا سنج اشعه ایکس ارائه می شود. گونیومتر اشعه ایکسدستگاهی است که جهت پراش اشعه ایکس بر روی نمونه مورد مطالعه و موقعیت نمونه در لحظه پراش را به طور همزمان ثبت می کند.

یکی از این روش ها است روش وایزنبرگ- توسعه بیشتر روش چرخش است. برخلاف دومی، در گونیا سنج اشعه ایکس ویزنبرگ، تمام مخروط های پراش، به جز یکی، توسط یک صفحه استوانه ای پوشانده می شوند و لکه های مخروط پراش باقی مانده در کل ناحیه فیلم عکاسی توسط آن "باز می شوند" حرکت محوری رفت و برگشتی همزمان با چرخش کریستال. این امکان را فراهم می کند تا مشخص شود هر نقطه در چه جهت کریستالی ظاهر شده است وایسنبرگوگرام.

روش های عکسبرداری دیگری نیز وجود دارد که از حرکت همزمان نمونه و فیلم استفاده می کنند. مهمترین آنها هستند روش عکاسی با گریت متقابلو روش تقدم برگر.در این مورد از ثبت تصویری الگوی پراش استفاده می شود. در پراش سنج اشعه ایکس، می توانید مستقیماً شدت انعکاس پراش را با استفاده از شمارشگرهای متناسب، سوسوزن و دیگر اشعه ایکس اندازه گیری کنید.

تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس امکان ایجاد ساختار مواد کریستالی، از جمله موارد پیچیده مانند اجسام بیولوژیکی، ترکیبات هماهنگ و غیره را فراهم می کند. مطالعه ساختاری کامل یک کریستال اغلب حل مسائل کاملا شیمیایی را ممکن می سازد، به عنوان مثال، ایجاد یا روشن کردن فرمول شیمیایی، نوع پیوند، جرم مولکولی در چگالی شناخته شده یا چگالی در جرم مولکولی شناخته شده، تقارن و پیکربندی مولکول ها و یون های مولکولی.

XRD همچنین برای مطالعه حالت کریستالی پلیمرها، اجسام آمورف و مایع استفاده می شود. الگوهای پرتو ایکس این نمونه‌ها حاوی چندین حلقه پراش تار هستند که شدت آنها با افزایش زاویه تابش 0 به شدت کاهش می‌یابد. بر اساس عرض، شکل و شدت این حلقه‌ها، در مورد ویژگی‌های ترتیب برد کوتاه نتیجه‌گیری می‌شود. در ساختار مایع یا آمورف.

یکی از زمینه های مهم کاربرد اشعه ایکس رادیوگرافی فلزات و آلیاژها است که به شاخه ای جداگانه از علم تبدیل شده است. رادیوگرافی، همراه با پراش کامل یا جزئی اشعه ایکس، سایر روش های استفاده از اشعه ایکس را شامل می شود: تشخیص نقص اشعه ایکس(شفافیت)، تجزیه و تحلیل طیفی اشعه ایکس، میکروسکوپ اشعه ایکسو غیره.

تعیین ساختار فلزات خالص و بسیاری از آلیاژها بر اساس پراش اشعه ایکس شیمی کریستال آلیاژها)- یکی از شاخه های پیشرو متالورژی. اگر این آلیاژها با روش های پراش اشعه ایکس مورد مطالعه قرار نگیرند، هیچ نمودار فازی از آلیاژهای فلزی را نمی توان به طور قابل اعتماد در نظر گرفت. به لطف پراش اشعه ایکس، مطالعه عمیق تغییرات ساختاری که در فلزات و آلیاژها در طی عملیات پلاستیکی و حرارتی رخ می دهد، امکان پذیر شد.

روش SAR نیز محدودیت هایی دارد. برای انجام XRD کامل، لازم است که ماده با تشکیل بلورهای پایدار به خوبی متبلور شود. گاهی لازم است تحقیقات در دماهای بالا یا پایین انجام شود. این امر آزمایش را بسیار دشوار می کند.

یک مطالعه کامل بسیار کار فشرده، زمان بر و مستلزم مقدار زیادی کار محاسباتی است. برای ایجاد یک ساختار اتمی با پیچیدگی متوسط ​​(100-50 اتم در یک سلول واحد)، لازم است شدت چند صد و حتی هزاران بازتاب پراش اندازه‌گیری شود. این کار پرزحمت توسط میکرودانسیتومترهای خودکار و پراش سنج های کنترل شده توسط PC انجام می شود، گاهی اوقات در طی چندین هفته یا حتی ماه ها (به عنوان مثال، هنگام تجزیه و تحلیل ساختارهای پروتئین، زمانی که تعداد بازتاب ها به صدها هزار افزایش می یابد).

در این راستا، برای حل مشکلات SAR، بسته‌های نرم‌افزار کاربردی تخصصی توسعه یافته و به طور گسترده برای خودکارسازی فرآیند اندازه‌گیری و تفسیر نتایج آن‌ها استفاده می‌شود. با این حال، حتی با استفاده از فناوری رایانه، تعیین ساختار همچنان دشوار است.

استفاده از چندین شمارنده در یک پراش سنج که انعکاس ها را به صورت موازی ثبت می کنند، کاهش زمان آزمایش را ممکن می سازد. اندازه گیری های پراش سنجی از نظر حساسیت و دقت نسبت به ضبط عکس برتری دارند و این امکان را برای تعیین ساختار مولکول ها و ماهیت کلی برهمکنش مولکول ها در یک کریستال فراهم می کند.

تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس همیشه امکان قضاوت با درجه اطمینان لازم را در مورد تفاوت‌های ماهیت پیوندهای شیمیایی درون یک مولکول ممکن نمی‌سازد، زیرا دقت تعیین طول پیوند و زوایای پیوند اغلب ناکافی است. محدودیت جدی روش نیز دشواری تعیین موقعیت اتم های سبک و به ویژه اتم های هیدروژن است.

وزارت آموزش و پرورش و علوم فدراسیون روسیه

موسسه آموزشی بودجه ایالتی فدرال آموزش عالی حرفه ای

دانشگاه دولتی کوبان

دانشکده فیزیک و فناوری

گروه فیزیک و فناوری اطلاعات

جهت 03.03.02 فیزیک

کار دوره

تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس کریستال ها و تفسیر الگوهای پراش

اجرا توسط پورونوا A.M.

دانشجوی سال دوم

سر Skachedub A.V.

کراسنودار 2015

خلاصه

درس 33 صفحه، 11 طراحی، 16 فرمول، 10 منبع.

کلید واژه ها: تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، الگوهای پراش، روش های تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، کریستال ها، تابش.

موضوع مطالعه: مطالعه پراش اشعه ایکس کریستال ها

موضوع مطالعه:کریستال

روش های پژوهش:از نظر تئوری بر سه روش تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس و تفسیر الگوهای پراش مسلط است

هدف کار دوره:کسب دانش نظری در مورد روش های تحقیق کریستال

اهداف کار درسی عبارتند از:

مطالعه ادبیات علمی با موضوع تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس کریستال ها و تفسیر الگوهای پراش

نتیجه گیری:تسلط بر آنالیز پراش اشعه ایکس کریستال ها و روش های آموخته شده برای رمزگشایی الگوهای پراش

ارائه می دهد:سه روش برای آنالیز کریستال پیشنهاد شده است.

معرفی

1. پیشینه تاریخی

تولید و خواص اشعه ایکس

3. انواع برهمکنش اشعه ایکس با ماده

روش های آنالیز پراش اشعه ایکس

تجزیه و تحلیل فاز اشعه ایکس

6. روش عکاسی با گریت متقابل

7. استفاده از نتایج آنالیز پراش اشعه ایکس برای تعیین مختصات اتم ها

8. نمودار عملکردی دستگاه و اصل تشکیل کریستال

نتیجه

کتابشناسی - فهرست کتب

معرفی

آنالیز پراش اشعه ایکس یکی از روش های پراش برای مطالعه ساختار ماده است که بر اساس پراش پرتو ایکس روی جسم مورد تجزیه و تحلیل (شبکه بلوری سه بعدی) است. الگوی پراش به دست آمده در طول تحقیق به طور مستقیم به طول موج پرتوهای ایکس و همچنین به ساختار جسم بستگی دارد.

روش های مختلفی برای تجزیه و تحلیل وجود دارد که با آن فلزات، ترکیبات معدنی و آلی، آلیاژها، پلیمرها، مواد معدنی، مایعات و گازها، کریستال ها و غیره مورد مطالعه قرار می گیرند. تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس (از این پس XRD) روش اصلی برای تعیین ساختار اتمی یک کریستال است که شامل گروه فضایی سلول واحد، شکل و ابعاد آن و تعیین گروه تقارن کریستال است. همچنین، با توجه به اینکه تعداد زیادی از ساختارهای اتمی قبلاً رمزگشایی شده اند، می توان ترکیب کریستالی مواد را تعیین کرد، یعنی آنالیز فاز را انجام داد.

هنگام انجام آنالیز اشعه ایکس، تابش اشعه ایکس در نمونه مورد مطالعه برانگیخته نمی شود (اگر در طول مطالعات ساختاری نمونه تابش فلورسنت ساطع کند، این اثر یک عارضه جانبی، مضر است). اشعه ایکس ساطع شده توسط یک لوله اشعه ایکس توسط شبکه کریستالی نمونه مورد مطالعه پراش می شود. در ادامه، الگوی پراش تحلیل شده و با محاسبات، آرایش نسبی ذرات در فضا که باعث پیدایش این الگو شده است، مشخص می شود.

سه روش اساسی XRD برای کریستال ها وجود دارد:

روش چرخش (از تابش تک رنگ استفاده می کند)

روش پودری (با استفاده از تابش تک رنگ)

روش Laue (با استفاده از طیف سفید اشعه ایکس).

روش چرخشی معمولاً به دو نوع تقسیم می شود: روش چرخشی (نوسانی) و روش گونیومتریک اشعه ایکس.

SAR را مطالعه کنید.

تجزیه و تحلیل رمزگشایی الگوهای پراش.

ساختار کار شامل یک مقدمه، 8 فصل، یک نتیجه گیری و فهرست منابع است.

1. پیشینه تاریخی

در سال 1912، فیزیکدانان آلمانی M. Laue، W. Friedrich و P. Knipping، پراش پرتو ایکس توسط کریستال ها را کشف کردند. آنها یک پرتو باریک از اشعه ایکس را به سمت کریستال هدایت کردند و یک الگوی پراش را روی صفحه عکاسی که در پشت کریستال قرار داشت ثبت کردند. این شامل تعداد زیادی از نقاط بود که به طور منظم قرار داشتند. هر نقطه اثری از پرتو پراش است که توسط کریستال پراکنده شده است. این رادیوگرافی Lauegram نامیده می شود (شکل 1).

شکل 1 - لائوگرام یک کریستال بریل، گرفته شده در امتداد محور تقارن مرتبه دوم

این تئوری پراش پرتو ایکس توسط کریستال ها ارتباط بین طول موج را ممکن کرد تابش، پارامترهای سلول واحد کریستالی a،b،c، زوایای برخورد ( α 0,β 0,γ 0) و پراش ( α 0,β 0,γ 0) روابط پرتوها:

آ (cosα-cosα 0) = hλ(cosβ-cosβ 0) = kλ (1)

با ( cosγ -cosγ 0) = lλ ,

که در آن h، k، l اعداد صحیح هستند (شاخص های میلر). برای ایجاد یک پرتو پراش، لازم است که شرط (1) برآورده شود، یعنی در پرتوهای موازی، اختلاف مسیر بین آن دسته از پرتوهایی که توسط یک اتم مربوط به گره های شبکه همسایه پراکنده می شوند، برابر با یک عدد صحیح باشد. طول موج

در سال 1913 W.L. براگ و G.W. وولف نشان داد که هر یک از پرتوهای پراش را می توان به عنوان بازتابی از پرتو فرودی از یکی از سیستم های صفحات کریستالوگرافی در نظر گرفت. به عنوان یک روش، SAR توسط Debye و Scherrer توسعه داده شد.

2. تولید و خواص اشعه ایکس

برای به دست آوردن اشعه ایکس، از دستگاه های خلاء مخصوص استفاده می شود - لوله های اشعه ایکس. تابش اشعه ایکس در آند تیوب اشعه ایکس زمانی رخ می دهد که با پرتوی از الکترون های شتاب دار بمباران می شود و ولتاژ شتاب دهنده باید 10-70 کیلو ولت باشد (ولتاژ شتاب دهنده مورد استفاده در تحلیل سازه در این محدوده قرار دارد). ولتاژ بالا با استفاده از ترانسفورماتورهای ولتاژ بالا به دست می آید. مدار بسیاری از ماشین‌های اشعه ایکس حاوی خازن‌های ولتاژ بالا است که امکان اعمال ولتاژی دو برابر ولتاژ روی سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورماتور را به لوله می‌دهد. برخی مدارها حاوی کنوترون ها (دیودهای خلاء قدرتمند) هستند که عملکرد یکسوسازی جریان را از لوله اشعه ایکس حذف می کنند. تاسیسات مدرن برای تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس همچنین مجهز به تثبیت کننده های فرورزونانس و تصحیح کننده های ولتاژ اصلی و تثبیت کننده های جریان فیلامنت لوله اشعه ایکس الکترونیکی هستند.

ثبت تشعشعات پراکنده شده توسط یک نمونه می تواند هم بر روی فیلم و هم با روش های یونیزاسیون انجام شود.

نمودارهای شماتیک برخی از ماشین های اشعه ایکس در شکل های 2-6 ارائه شده است.

شکل 2 - نمودار شماتیک دستگاه 1

شکل 3 - نمودارهای شماتیک دستگاه های 2، 3

شکل 4 - نمودارهای شماتیک دستگاه های 4، 5

شکل ظاهری طیف پرتوهای ایکس که از آند تیوب اشعه ایکس بیرون می‌آیند کاملاً پیچیده است (شکل 5 را ببینید) و به مواد آند، مقدار جریان آند و ولتاژ روی لوله بستگی دارد. در ولتاژهای پایین (محدود شده از بالا با مقدار تعیین شده برای هر ماده)، لوله فقط یک طیف پیوسته از اشعه ایکس تولید می کند. این طیف که "سفید"، پیوسته یا bremsstrahlung نیز نامیده می شود، دارای حداکثر شدت واضح و یک مرز با طول موج کوتاه است. موقعیت حداکثر شدت I متر و مرز موج کوتاه λ 0 با تغییر جریان از طریق لوله تغییر نمی کند، اما زمانی که ولتاژ در لوله افزایش می یابد به سمت امواج کوتاه تر حرکت می کند (شکل های 5.2، 5.3).

با افزایش بیشتر ولتاژ، طیف می تواند به شدت تغییر کند (شکل 5): خطوط شدید و تیز تابش به اصطلاح "مشخصه" در پس زمینه طیف پیوسته ظاهر می شود. ولتاژی که باید به لوله اعمال شود تا خطوط تشعشعی مشخصه به دست آید، پتانسیل تحریک این خط نامیده می شود.

3. انواع برهمکنش اشعه ایکس با ماده

یکی از اولین خواص اشعه ایکس که در طول مطالعه آنها کشف شد، توانایی نفوذ بالای آنها بود. در واقع، پرتو اشعه ایکس بسیاری از اجسام را که مات هستند (به نور مرئی) روشن می کند. اما شدت پرتوی که از ماده عبور می کند کمتر از شدت پرتو اصلی است. مکانیسم های تضعیف اشعه ایکس توسط یک ماده برای بخش های مختلف طیف اشعه ایکس و مواد مختلف تابش شده متفاوت است (شکل 6).

شکل 6 - نمودار مکانیسم های تضعیف اشعه ایکس توسط ماده

نمودار بالا نشان می دهد که انرژی پرتو ایکس که به یک ماده برخورد می کند از کدام کانال ها صرف می شود.

تضعیف کلی یا کلی اشعه ایکس شامل جذب و پراکندگی واقعی است. جذب واقعی مربوط به تبدیل انرژی میدان الکترومغناطیسی به انواع دیگر انرژی (انرژی جنبشی فوتوالکترون ها) یا تابش ثانویه (فلورسنت) است. پرتوهای ایکس می توانند به صورت منسجم (بدون تغییر طول موج) یا به صورت نامنسجم (پراکندگی کامپتون) پراکنده شوند. وقوع تشعشعات فلورسنت را نباید یکی از انواع پراکندگی در نظر گرفت، زیرا در این حالت، انرژی تابش اولیه اشعه ایکس به طور کامل برای یونیزه کردن سطوح انرژی داخلی اتم های ماده تابیده شده استفاده می شود و در نتیجه تابش مشخصه اتم های ماده تابیده شده ایجاد می شود. تابش اولیه اشعه ایکس از پرتو اولیه به طور کامل توسط این ماده جذب می شود. می توان گفت که در طول جذب منسجم، کوانتوم تابش اولیه ناپدید می شود و در هنگام پراکندگی جهت خود را تغییر می دهد.

4. روش های تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس

XRD از سه روش برای غلبه بر چنین مشکلی مانند عدم وجود بازتاب از یک کریستال ثابت ایده آل در طول تابش تک رنگ استفاده می کند.

روش لائوگرام

روش Laue برای تک کریستال ها استفاده می شود. نمونه توسط یک پرتو با طیف پیوسته تابش می شود، جهت متقابل پرتو و کریستال تغییر نمی کند. توزیع زاویه ای تابش پراش به شکل نقاط پراش منفرد (Lauegram) است. نمودار در شکل 7 نشان داده شده است.

شکل 7 - طرح روش Laue

از این روش نمی توان برای تعیین ثابت های شبکه استفاده کرد. به طور خاص، از آن برای جهت دهی تک بلورها و تجزیه و تحلیل کمال تک بلورها از نظر اندازه و مکان صحیح نقاط روی الگوی پراش اشعه ایکس استفاده می شود.

روش کریستال چرخشی یا نوسانی

روش کریستال چرخان یا تکان دهنده در شکل 8 نشان داده شده است.

شکل 8 - ساخت اوالد برای روش کریستال گهواره ای

نقاط سیاه زمانی که کریستال ساکن است گره های شبکه ای متقابل هستند و نقطه های روشن زمانی که در حین چرخش کریستال بر روی کره اوالد می افتند گره های شبکه ای متقابل هستند.

برخلاف روش لائوگرام، در اینجا از تابش تک رنگ استفاده می شود (در نظر می گیریم که شعاع کره اوالد ثابت است) و تماس نقاط شبکه متقابل روی این کره با چرخش (چرخش) شبکه مستقیم و متقابل تضمین می شود. مثال. این روش برای جهت یابی کمتر راحت است.

روش پودری

روش پودری (روش Debyegram) بر اساس استفاده از پلی کریستال ها یا پودرهای ریز ساخته شده از تک بلورها به عنوان نمونه است. در سال 1916 توسط دیبای و شرر پیشنهاد شد. به طور گسترده ای برای تعیین ساختار کریستال ها استفاده می شود.

شکل 9 - روش پودری (روش دبایگرام):

الف - ساخت و ساز اوالد؛ 1 - خطوط تقاطع کره اوالد 2 با کره های 3 که نقاط شروع بردارهای B شبکه متقابل روی آنها قرار دارد. ب - نمودار تجربی: 4 - منبع تابش (لوله اشعه ایکس)، 5 - نمونه، 6 - فیلم عکاسی. ج - فیلم باز شده

در این روش، نمونه‌های اندازه‌های واقعی استفاده شده حاوی بیش از ~ هستند 108 ذرات، جهت گیری محورهای کریستالوگرافی، که در آن کم و بیش به طور مساوی در همه جهات توزیع شده اند. ما بردارهای شبکه متقابل را برای این ذرات ترسیم می کنیم تا نقاط انتهایی آنها بر هم منطبق باشد (شکل 8a). سپس نقاط اولیه آنها روی کره ای به شعاع B قرار خواهند گرفت. این کره در امتداد دایره 3 با کره اوالد قطع می شود. و از آنجایی که پهنای خط نسبی (یعنی ∂k/k) تابش مورد استفاده در آنالیز اشعه ایکس ~ 10 است. -4، تقریباً تمام نقاط این دایره نقطه شروع بردارهای موج تابش پراکنده k خواهند بود. 2. سایر بردارهای شبکه متقابل (شکل 8a یکی از آنها را نشان می دهد - b") دایره های تقاطع دیگری را با کره اوالد و سایر بردارهای تابش پراکنده k ارائه می کنند. 2".

طرح آزمایشی در شکل 8b و فیلم اشعه ایکس باز شده در شکل 8c نشان داده شده است. کمان هایی با شعاع های مختلف روی این فیلم ظاهر می شوند؛ آنها به شما امکان می دهند بردارهای شبکه متقابل را پیدا کنید و ثابت شبکه را پیدا کنید.

. تجزیه و تحلیل فاز اشعه ایکس

آنالیز فاز اشعه ایکس اغلب شناسایی ماده نیز نامیده می شود. هدف از شناسایی، تعیین ترکیب فازی نمونه است، به عنوان مثال. در پاسخ به این سوال: چه فازهای کریستالی در این نمونه وجود دارد؟

امکان اساسی تجزیه و تحلیل فاز پرتو ایکس بر این واقعیت استوار است که هر ماده کریستالی فواصل بین‌سطحی مخصوص به خود (و فقط آن) دارد. و بنابراین، مجموعه ای "خود" از کره ها که توسط سایت های شبکه متقابل پر شده است. طبق این اصل، الگوی پراش اشعه ایکس هر کریستال کاملاً فردی است. تغییرات چند شکلی یک ماده، الگوهای اشعه ایکس متفاوتی را ارائه می دهد.

آخرین نکته به درک تفاوت اساسی بین آنالیز فاز و سایر انواع آنالیز (شیمیایی، طیفی) کمک می کند: تجزیه و تحلیل فاز اشعه ایکس وجود یک یا نوع دیگری از شبکه کریستالی را ثبت می کند، نه اتم ها یا یون های یک نوع خاص. . با استفاده از تجزیه و تحلیل فاز، ترکیب شیمیایی یک نمونه را می توان تعیین کرد. برعکس همیشه ممکن نیست.

تجزیه و تحلیل فاز پرتو ایکس هنگام تجزیه و تحلیل مخلوطی از تغییرات یک ماده، هنگام مطالعه محلول های جامد، و به طور کلی هنگام مطالعه نمودارهای فاز ضروری است.

حساسیت روش کم است. معمولاً فازهای موجود در مخلوط به مقدار<1%, уже не могут быть обнаружены рентгеновским методом. К тому же чувствительность метода зависит от состава пробы.

قابل تشخیص بودن یک فاز در فاز دیگر به شرایط زیادی بستگی دارد: به اعداد اتمی اجزای نمونه، به اندازه و تقارن سلول واحد بلورها، به توانایی های پراکندگی و جذب همه فازهای تشکیل دهنده. هرچه قدرت پراکندگی و ضریب جذب کمتر برای اتم هایی که شبکه یک فاز را تشکیل می دهند، کمتر باشد، مقادیر کمتری از آن فاز قابل تشخیص است. اما هرچه تقارن شبکه کریستالی ماده مورد مطالعه کمتر باشد، مقدار بیشتری برای تشخیص مورد نیاز است. مورد دوم به این دلیل است که کاهش تقارن منجر به افزایش تعداد خطوط در الگوی پراش اشعه ایکس می شود. در این حالت، شدت تابش یکپارچه در تعداد بیشتری از خطوط توزیع می شود و شدت هر یک از آنها کاهش می یابد. به عبارت دیگر، کاهش تقارن منجر به کاهش ضریب تکرارپذیری برای این صفحات می شود . به عنوان مثال، در یک شبکه کریستالی با تقارن مکعبی و در سیستم تری کلینیک تنها برابر با 2 است: و .

یک عامل مهم تعیین کننده حساسیت روش، اندازه کریستال های ماده آزمایش است: هر چه کریستال ها کوچکتر باشند (در L 10-6سانتی متر)، تار شدن خطوط تداخل بیشتر است و با مقدار کمی فاز، خطوط تار می توانند با پس زمینه ادغام شوند.

حساسیت روش به طور قابل توجهی افزایش می یابد زمانی که عکاسی با اشعه ایکس در تابش تک رنگ انجام می شود، زیرا تک رنگی منجر به کاهش شدید سطح پس زمینه می شود. لازم به یادآوری است که استفاده از تک رنگ ها مستلزم افزایش قابل توجهی در نوردهی است. شما می توانید با انتخاب ماهرانه تابش، حالت های عکاسی و استفاده از تجهیزات مدرن (پراش سنج) حساسیت را افزایش دهید. با این حال، در هر شرایط تیراندازی، حد حساسیت، اول از همه، توسط خود نمونه تعیین می شود: ترکیب و وضعیت ساختاری آن.

روش های تجزیه و تحلیل فاز بر این واقعیت استوار است که هر ماده مجموعه خاصی از خطوط تداخلی را تولید می کند که مستقل از سایر مواد موجود در نمونه است. نسبت شدت خطوط یک فاز معین تغییر نمی کند، اگرچه شدت هر خط متناسب با محتوای فاز در ماده است (اگر جذب نادیده گرفته شود). تجزیه و تحلیل فاز کمی در حال حاضر عمدتا با استفاده از پراش سنج انجام می شود، اما در برخی موارد از روش عکاسی نیز استفاده می شود. تمام روش‌های تحلیل فاز کمی که تا به امروز توسعه یافته‌اند بر اساس حذف یا در نظر گرفتن عللی هستند که باعث انحراف از تناسب بین غلظت فاز و شدت خط تداخلی می‌شوند که محتوای فاز از آن تعیین می‌شود. اجازه دهید به طور خلاصه برخی از روش های تحلیل فاز کمی را بررسی کنیم.

روش جفت های همسانی توسط V.V. Nechvolodov، در ضبط عکاسی از تشعشعات پراکنده استفاده می شود. نیازی به استفاده از نمونه مرجع ندارد و اگر ضریب جذب فاز در حال تعیین تفاوت قابل توجهی با ضریب جذب مخلوط نداشته باشد می تواند برای مطالعه سیستم های دو فازی استفاده شود.

جدول جفت خطوط همولوگ به صورت تئوری محاسبه شده یا بر اساس داده های تجربی جمع آوری شده است. جفت های همولوگ بر روی الگوهای پراش پرتو ایکس مخلوط ها یافت می شوند تا جفت خطوطی را بیابند که چگالی سیاه شدن متفاوتی دارند و به فازهای مختلف تعلق دارند. با دانستن شاخص های این خطوط، محتوای فاز تحلیل شده از جدول جفت های همولوگ به دست می آید.

روش استاندارد داخلی (روش اختلاط) در تجزیه و تحلیل کمی مخلوط های دو و چند فازی استفاده می شود. مقدار معینی (10-20٪) از یک ماده مرجع به پودر ماده آزمایش مخلوط می شود که با خطوط تداخلی که خطوط فاز مورد مطالعه مقایسه می شود. از این روش می توان برای ثبت عکس و یونیزاسیون یک الگوی پراش استفاده کرد. ماده مرجع باید شرایط زیر را داشته باشد:

الف) خطوط استاندارد نباید با خطوط قوی فاز مورد مطالعه منطبق باشد.

ب) ضریب جذب جرمی ماده مرجع باید نزدیک به ضریب جذب نمونه مورد تجزیه و تحلیل باشد.

ج) اندازه بلورها باید 5-25 میکرون باشد.

از روش استاندارد خارجی (استاندارد مستقل) در مواردی استفاده می شود که نمونه مورد مطالعه قابل تبدیل به پودر نباشد. همچنین اغلب برای استاندارد کردن شرایط تیراندازی استفاده می شود. در روش ضبط عکاسی، یک ماده مرجع به شکل یک فویل نازک بر روی سطح استوانه ای یا صاف نمونه چسبانده می شود. هنگام استفاده از یک پراش سنج، یک استاندارد خارجی بر روی یک کووت حاوی نمونه آزمایش نصب می شود، یا ضبط های دوره ای از ماده مرجع انجام می شود. تجزیه و تحلیل با استفاده از یک نمودار مدرج ساخته شده با استفاده از مخلوط های استاندارد انجام می شود

(2)

خطای روش استاندارد مستقل کوچک است، در مطلوب ترین موارد 1.0-0.5٪ است. روش استاندارد خارجی برای استفاده در مواردی توصیه می شود که مطالعات سریالی با بیان بالا مورد نیاز است و نمونه های تجزیه و تحلیل شده دارای ترکیب کمی کیفی همگن و نسبتاً ثابت هستند.

برای تجزیه و تحلیل سریال مخلوط های پیچیده، توصیه می شود از پراش سنج های چند کاناله تخصصی اشعه ایکس استفاده کنید. حساسیت روش در این مورد به 0.05٪ می رسد.

کریستال اتم الگوی پراش اشعه ایکس

6. روش عکاسی با گریت متقابل

الگوهای اشعه ایکس را می توان به عنوان پیش بینی های تحریف شده صفحات شبکه متقابل در نظر گرفت. بسیار جالب تر است که یک طرح ریزی تحریف نشده از شبکه متقابل بدست آوریم. بیایید ببینیم چگونه پیش بینی های تحریف نشده به دست می آیند.

بیایید تصور کنیم که فیلم تخت روی یکی از صفحات شبکه متقابل، عمود بر محور چرخش قرار دارد. هنگامی که توری متقابل می چرخد، فیلم کره انعکاس را به همراه صفحه مربوطه قطع می کند. پرتوهای پراشی که در لحظه های تقاطع گره های شبکه متقابل با کره انعکاس به وجود می آیند فقط بر روی نقاطی از فیلم که این گره ها در زیر آنها قرار دارند می افتند. سپس چیزی شبیه عکس تماسی از یک شبکه شبکه متقابل دریافت می کنید. با توجه به اینکه گریت متقابل و کره انعکاس ساختارهای مصنوعی هستند و می‌توانند در هر مقیاسی به تصویر کشیده شوند، فیلم عکاسی نه بر روی صفحه گریت متقابل در حال عکاسی، بلکه در فاصله‌ای از آن قرار می‌گیرد. در این حالت، محور چرخش فیلم با محور چرخش کریستال منطبق نخواهد شد.

پرتو پرتوهای اولیه S 0 روی کریستال A با زاویه معینی نسبت به محور چرخش خود می افتد. با تغییر این زاویه می توانید توزیع مخروط های تداخل را تغییر دهید. یک صفحه حلقوی به شما امکان می دهد یک مخروط تداخل خاصی را برش دهید که راه حل آن طوری انتخاب می شود که این مخروط از سوراخ حلقوی صفحه عبور کند. داده های تنظیم (فاصله محور چرخش از محور چرخش کریستال) به یک کمیت بستگی دارد - به فاصله nمین صفحه مورد مطالعه شبکه متقابل تا صفحه صفر

nd ایکس = n/I (3)

زاویه μ n از رابطه مشخص می شود

, (4)

زیرا" = OO" + OB (5)

. (6)

, (7)

, (8)

, (9)

, (10)

از همین رو

(11)

در تصویر اشعه ایکس، برآمدگی توری متقابل بزرگ شده به نظر می رسد. مقیاس بزرگنمایی از رابطه تعیین می شود

, (12)

آن ها مقیاس K برای همه صفحات توری متقابل (برای یک صفحه معین و یک طول موج معین) یکسان است.

نشان دادن رادیوگرافی های به دست آمده در دوربین KFOR کار دشواری نیست. این شامل ایجاد جهات بر روی شبکه مربوط به دو خط مستقیم گرهی است - محورهای شبکه متقابل ایکس و ب ایکس . لازم است که نمایه سازی را نه از شبکه صفر، بلکه از هر شبکه n ام شروع کنید، زیرا خاموش شدن در الگوی پراش اشعه ایکس شبکه صفر می تواند منجر به قضاوت اشتباه در مورد جهت هایی شود که کمترین ترجمه را دارند. توصیه می شود یک عکس، به عنوان مثال، از صفحه I بر روی یک عکس از صفحه صفر قرار دهید. سپس شبکه به دست آمده به شما امکان می دهد به راحتی دو شاخص بازتاب را تعیین کنید. شاخص سوم با تعداد خط لایه تعیین می شود.

یک عکس پرتو ایکس که در یک دوربین برای عکاسی از شبکه متقابل به دست می‌آید، زمانی که کریستال حول یک محور خاص می‌چرخد، تعیین دوره‌های شبکه در امتداد دو محور دیگر و همچنین زاویه بین این محورها را ممکن می‌سازد.

7. استفاده از نتایج آنالیز پراش اشعه ایکس برای تعیین مختصات اتم ها

مشکل اول و تا حدودی دوم را می توان با روش لائو و با تکان دادن یا چرخاندن کریستال ها حل کرد. در نهایت می توان گروه تقارن و مختصات ساختارهای پیچیده اتمی پایه را تنها با کمک تجزیه و تحلیل پیچیده و پردازش ریاضی پر زحمت مقادیر شدت تمام بازتاب های پراش از یک کریستال مشخص ایجاد کرد. هدف نهایی چنین پردازشی محاسبه مقادیر چگالی الکترون از داده های تجربی است ρ( x، y، z). تناوب ساختار کریستالی به ما اجازه می دهد تا چگالی الکترون موجود در آن را از طریق سری فوریه بنویسیم:

, (13)

که در آن V حجم سلول واحد است،

Fhkl - ضرایب فوریه که در آنالیز اشعه ایکس دامنه ساختاری نامیده می شود. .

هر دامنه ساختاری با سه عدد صحیح مشخص می شود.

بازتاب پراش یک فرآیند موجی است. با دامنه ای برابر مشخص می شود ، و فاز αhkl (تغییر فاز موج منعکس شده نسبت به موج فرودی)، که از طریق آن دامنه ساختاری بیان می شود:

. (14)

یک آزمایش پراش به فرد امکان می دهد فقط شدت انعکاس را متناسب با اندازه گیری کند ، اما نه فازهای آنها. تعیین فازها مشکل اصلی در رمزگشایی ساختار کریستالی است. تعیین فازهای دامنه ساختاری اساساً برای هر دو کریستال متشکل از اتم و بلورهای متشکل از مولکول یکسان است. با تعیین مختصات اتم ها در یک ماده کریستالی مولکولی، می توان مولکول های تشکیل دهنده آن را جدا کرد و اندازه و شکل آنها را تعیین کرد.

مشکل معکوس رمزگشایی ساختاری به راحتی حل می شود: محاسبه دامنه های ساختاری از یک ساختار اتمی شناخته شده، و از آنها شدت بازتاب های پراش. روش آزمون و خطا که از نظر تاریخی اولین روش رمزگشایی سازه هاست، شامل مقایسه تجربی به دست آمده |Fhkl| exp، با مقادیر محاسبه شده بر اساس مدل آزمایشی | Fhkl| کالک بسته به بزرگی ضریب واگرایی، مدل آزمایشی پذیرفته یا رد می شود.

, (15)

در دهه 30 روش‌های رسمی‌تری برای ساختارهای کریستالی و روش‌های رسمی‌تری برای ساختارهای غیرکریستالی توسعه داده شده‌اند، اما برای اجسام غیربلور، آزمون و خطا تقریباً تنها ابزار تفسیر الگوی پراش است.

یک راه اساساً جدید برای رمزگشایی ساختارهای اتمی تک بلورها با استفاده از به اصطلاح باز شد. توابع پاترسون (توابع بردارهای بین اتمی). برای ساختن تابع پاترسون ساختار معینی متشکل از اتم های N، آن را به موازات خودش حرکت می دهیم تا اتم اول ابتدا به منشا ثابت برسد. بردارهایی از مبدأ تا تمام اتم‌های ساختار (از جمله بردار با طول صفر تا اتم اول) موقعیت‌های N ماکزیمم تابع بردارهای بین اتمی را نشان می‌دهند که مجموع آن‌ها تصویر ساختار در اتم 1 نامیده می‌شود. اجازه دهید N ماکزیمم دیگری را به آنها اضافه کنیم، که موقعیت آن N بردار از اتم دوم را نشان می دهد، که در حین انتقال موازی ساختار به همان مبدا قرار گرفته اند. پس از انجام این روش با تمام اتم های N (شکل 10)، بردارهای N2 را به دست می آوریم. تابعی که موقعیت آنها را توصیف می کند، تابع پترسون است.

شکل 10 - طرحی برای ساخت تابع پترسون برای ساختاری متشکل از 3 اتم

برای تابع پترسون P(u ω ) (u ω - مختصات نقاط در فضای بردارهای بین اتمی) می توانیم عبارت را بدست آوریم:

, (16)

که از آن نتیجه می شود که توسط مدول های دامنه های ساختاری تعیین می شود، به فازهای آنها بستگی ندارد و بنابراین، می تواند مستقیماً از داده های آزمایش پراش محاسبه شود. مشکل در تفسیر تابع P(u ω ) شامل نیاز به یافتن مختصات اتم های N از N2 ماکزیمم آن است که بسیاری از آنها به دلیل همپوشانی هایی که هنگام ساختن عملکرد بردارهای بین اتمی ایجاد می شود با هم ادغام می شوند. ساده ترین رمزگشایی P (u ω ) موردی که ساختار دارای یک اتم سنگین و چندین اتم سبک باشد. تصویر چنین ساختاری در یک اتم سنگین تفاوت قابل توجهی با سایر تصاویر آن خواهد داشت. از بین روش های مختلفی که امکان تعیین مدل سازه مورد مطالعه را با استفاده از تابع پترسون فراهم می کند، مؤثرترین آنها روش های موسوم به برهم نهی بود که امکان رسمیت بخشیدن به تحلیل آن و انجام آن در رایانه را فراهم می کرد.

روش‌های تابع پترسون هنگام مطالعه ساختارهای بلوری متشکل از اتم‌هایی که از نظر عدد اتمی یکسان یا نزدیک هستند، با مشکلات جدی مواجه می‌شوند. در این مورد، روش های به اصطلاح مستقیم برای تعیین فازهای دامنه های ساختاری مؤثرتر بودند. با در نظر گرفتن این واقعیت که مقدار چگالی الکترون در یک کریستال همیشه مثبت (یا برابر با صفر) است، می توان تعداد زیادی نابرابری را به دست آورد که بر ضرایب فوریه (دامنه های ساختاری) تابع حاکم است. ρ( x، y، z). با استفاده از روش‌های نابرابری، می‌توان ساختارهای حاوی 20-40 اتم را در یک سلول واحد کریستال نسبتاً آسان تجزیه و تحلیل کرد. برای ساختارهای پیچیده‌تر، روش‌های مبتنی بر رویکرد احتمالی برای مسئله استفاده می‌شود: دامنه‌های ساختاری و فازهای آنها به عنوان متغیرهای تصادفی در نظر گرفته می‌شوند. از مفاهیم فیزیکی، توابع توزیع این متغیرهای تصادفی به دست می‌آید که تخمین محتمل‌ترین مقادیر فاز را با در نظر گرفتن مقادیر تجربی مدول‌های دامنه‌های ساختاری ممکن می‌سازد. این روش ها بر روی کامپیوتر نیز اجرا می شوند و رمزگشایی ساختارهای حاوی 100-200 اتم یا بیشتر در سلول واحد یک کریستال را ممکن می سازند.

بنابراین، اگر فازهای دامنه های ساختاری برقرار باشد، می توان توزیع چگالی الکترونی اتم ها در ساختار را محاسبه کرد (شکل 10). پالایش نهایی مختصات اتمی با استفاده از روش حداقل مربعات بر روی کامپیوتر انجام می شود و بسته به کیفیت آزمایش و پیچیدگی ساختار، به آنها اجازه می دهد تا با دقت هزارم A (با استفاده از روش مدرن) به دست آیند. آزمایش پراش، همچنین می توان با در نظر گرفتن ناهمسانگردی این ارتعاشات، ویژگی های کمی ارتعاشات حرارتی اتم ها را در یک کریستال محاسبه کرد. XRD امکان ایجاد ویژگی های ظریف تر ساختارهای اتمی را فراهم می کند، به عنوان مثال، توزیع الکترون های ظرفیت در یک کریستال. با این حال، این مشکل پیچیده تاکنون تنها برای ساده ترین سازه ها حل شده است. ترکیبی از پراش نوترون و مطالعات پرتو ایکس برای این منظور بسیار امیدوارکننده است: داده های پراش نوترون در مختصات هسته اتمی با توزیع فضایی ابر الکترونی به دست آمده با استفاده از پراش پرتو ایکس مقایسه می شود. برای حل بسیاری از مشکلات فیزیکی و شیمیایی، مطالعات پراش اشعه ایکس و روش های تشدید با هم استفاده می شود.

اوج دستاوردهای تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، رمزگشایی ساختار سه بعدی پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک و سایر ماکرومولکول ها است. پروتئین ها، به عنوان یک قاعده، در شرایط طبیعی کریستال تشکیل نمی دهند. برای دستیابی به آرایش منظم مولکول های پروتئین، پروتئین ها متبلور می شوند و سپس ساختار آنها بررسی می شود. فازهای دامنه ساختاری کریستال های پروتئین را تنها می توان در نتیجه تلاش مشترک رادیوگراف ها و بیوشیمی دانان تعیین کرد. برای حل این مشکل، باید کریستال های خود پروتئین و همچنین مشتقات آن را با احتساب اتم های سنگین به دست آورد و مطالعه کرد و مختصات اتم ها در تمام این ساختارها باید منطبق باشد.

8. نمودار عملکردی دستگاه و اصل تولید سیگنال

ابزارهای اشعه ایکس باید برخی از الزامات اساسی را برآورده کنند که توسط قانون ولف-براگ و اپتیک اشعه R تعیین شده است:

امکان به دست آوردن تابش چند رنگ و تک رنگ؛

تمرکز پرتو؛

حصول اطمینان از اجرای خودکار قانون؛

میانگین انعکاس روی سطح نمونه؛

تناسب آشکارساز تشعشع با تعداد کوانتوم های اشعه ایکس.

علامت گذاری زاویه پراش خودکار

شکل 11 ساختار عملکردی دستگاه DRON-3M را نشان می دهد.

شکل 11 - ساختار دستگاه DRON-3M: 1 - لوله اشعه ایکس. 2 - نمونه; 3 - آشکارساز تشعشع; 4 - مکانیزم گونیا با زاویه پراش خودکار; 5 - سیستم منبع تغذیه; 6 - سیستم خنک کننده; 7 - سیستم پردازش سیگنال آشکارساز; 8 - ضبط

تک رنگی با استفاده از یک ورقه فلزی حاصل می شود که یک طول موج را ارسال می کند و در صورت امکان یک طول موج را جذب می کند. فویل نیکل دارای این خاصیت است که 97 درصد تابش آنتی کاتد مس را جذب می کند و با جذب بسیار کم انتقال می دهد. λ = 1.54A.

هنوز هیچ لنزی وجود ندارد که بتواند پرتوهای R را فوکوس کند. بنابراین در طراحی دستگاه از دستگاه های خاصی برای انتخاب و اندازه گیری استفاده می شود θ - گونیومترها گونیا به طور خودکار تمرکز تابش را در هر زاویه پراش حفظ می کند. این به طور خودکار قانون Wulff-Bragg را برآورده می کند زیرا سرعت زاویه ای چرخش نمونه ای که تابش روی آن می افتد در هر زمان 2 برابر کمتر از سرعت حرکت آشکارساز تشعشع (گیرنده) است. با توجه به این، در هر زمان آشکارساز در زاویه 2 قرار می گیرد θ نسبت به تابش فرودی، و نمونه در یک زاویه قرار دارد θ.

میانگین گیری تمام مکان های صفحات بازتابی در نمونه به دلیل چرخش آن حول محوری عمود بر صفحه بازتاب رخ می دهد.

یک شمارنده سوسوزن با مولتی‌پلایر نوری، که تناسب خوبی با تعداد کوانتوم‌های اشعه ایکس عرضه‌شده به آن دارد، به عنوان آشکارساز سیگنال استفاده می‌شود. برای تسهیل رمزگشایی تصاویر اشعه ایکس، زاویه پراش به طور خودکار بر روی نوار ضبط کننده توسط یک مدار الکترونیکی ویژه متصل به مکانیسم حرکت نمونه واقع در گونیا مشخص می شود.

نتیجه

در حال حاضر، یافتن منطقه ای از فعالیت های انسانی که در آن از اشعه ایکس استفاده نمی شود، دشوار است.

تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس امکان تعیین عینی ساختار مواد کریستالی از جمله مواد پیچیده مانند ویتامین ها، آنتی بیوتیک ها، ترکیبات هماهنگ کننده و غیره را ممکن می سازد. تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس با موفقیت برای مطالعه وضعیت کریستالی پلیمرها استفاده می شود. تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس همچنین اطلاعات ارزشمندی را در مطالعه اجسام آمورف و مایع ارائه می دهد. الگوهای پرتو ایکس چنین اجسامی حاوی چندین حلقه پراش تار هستند که شدت آنها با افزایش q به سرعت کاهش می یابد. بر اساس عرض، شکل و شدت این حلقه ها، می توان در مورد ویژگی های نظم کوتاه برد در یک ساختار مایع یا بی شکل خاص نتیجه گیری کرد.

یکی از زمینه های مهم کاربرد اشعه ایکس رادیوگرافی فلزات و آلیاژها است که به شاخه ای جداگانه از علم تبدیل شده است. مفهوم "رادیوگرافی"، همراه با تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس کامل یا جزئی، همچنین سایر روش های استفاده از اشعه ایکس - تشخیص نقص اشعه ایکس (انتقال)، تجزیه و تحلیل طیفی اشعه ایکس، میکروسکوپ اشعه ایکس و غیره را شامل می شود. ساختار فلزات خالص و بسیاری از آلیاژها مشخص شده است. شیمی کریستال آلیاژها، بر اساس تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، یکی از شاخه های پیشرو در علم فلزات است. اگر این آلیاژها توسط تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس مورد مطالعه قرار نگیرند، هیچ نمودار فازی از آلیاژهای فلزی را نمی توان به طور قابل اعتماد در نظر گرفت. به لطف استفاده از روش های تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، مطالعه عمیق تغییرات ساختاری که در فلزات و آلیاژها در طی پردازش پلاستیک و حرارتی آنها رخ می دهد، امکان پذیر شد.

روش تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس نیز دارای محدودیت های جدی است. برای انجام یک تجزیه و تحلیل کامل پراش اشعه ایکس، لازم است که ماده به خوبی متبلور شود و بلورهای به اندازه کافی پایدار بدهد. گاهی لازم است تحقیقات در دماهای بالا یا پایین انجام شود. این امر آزمایش را بسیار دشوار می کند. یک مطالعه کامل بسیار کار فشرده، زمان بر و مستلزم مقدار زیادی کار محاسباتی است.

برای ایجاد یک ساختار اتمی با پیچیدگی متوسط ​​(~50-100 اتم در یک سلول واحد)، اندازه گیری شدت چند صد و حتی هزاران انعکاس پراش ضروری است. این کار بسیار پر زحمت و پر زحمت توسط میکرودانسیتومترهای اتوماتیک و پراش سنج که توسط کامپیوتر کنترل می شوند، گاهی برای چندین هفته یا حتی ماه ها انجام می شود. در این راستا، در سال‌های اخیر، رایانه‌های پرسرعت برای حل مسائل آنالیز پراش اشعه ایکس به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با این حال، حتی با استفاده از رایانه، تعیین ساختار همچنان یک کار پیچیده و زمان بر است. با استفاده از چندین شمارنده در یک پراش سنج که می تواند به طور همزمان بازتاب ها را ثبت کند، می توان زمان آزمایش را کاهش داد. اندازه گیری های پراش سنجی از نظر حساسیت و دقت نسبت به ضبط عکس برتری دارند.

در حالی که تعیین عینی ساختار مولکول‌ها و ماهیت کلی برهمکنش مولکول‌ها در کریستال را ممکن می‌سازد، تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس همیشه امکان قضاوت با درجه اطمینان لازم را در مورد تفاوت‌های ماهیت مواد شیمیایی ممکن نمی‌سازد. پیوندهای درون مولکول، زیرا دقت تعیین طول پیوند و زوایای پیوند اغلب برای این منظور کافی نیست. محدودیت جدی روش نیز دشواری تعیین موقعیت اتم های سبک و به ویژه اتم های هیدروژن است.

در نتیجه کار درسی، به شایستگی های عمومی فرهنگی و حرفه ای زیر مسلط شدم:

) (OK-12) توانایی تسلط بر روش ها، روش ها و ابزارهای اولیه به دست آوردن، ذخیره سازی، پردازش اطلاعات و داشتن مهارت در کار با رایانه به عنوان وسیله ای برای مدیریت اطلاعات.

در این کار از منابع برگرفته از اینترنت استفاده شد.

در طول نگارش این اثر درسی، تعدادی کتاب و انتشارات مختلف را در اینترنت مطالعه کردم. این اثر با کمک آنها پر از حقایق مختلفی است که تا این لحظه برای من ناشناخته بود.

) (GPC-7) توانایی کسب و استفاده از دانش یک زبان خارجی در فعالیت های خود. به دلیل دانش زبان خارجی، در نگارش اثر از ادبیات انگلیسی استفاده شده است.

در حین نوشتن این اثر مطالبی به زبان خارجی پیدا کردم. برای استفاده از اطلاعات یافت شده، نیاز به ترجمه مقالات به روسی بود که با گنجاندن متن ترجمه شده در کارم به آن پرداختم.

) (PC-1) توانایی استفاده از دانش تخصصی در زمینه فیزیک برای تسلط بر رشته های تخصصی فیزیک.

اطلاعاتی که در مورد این موضوع مطالعه کرده ام نه تنها در نوشتن این درس به من کمک می کند، بلکه در آینده در مطالعه عمیق کریستال ها، تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس و همچنین برای آمادگی برای امتحانات مفید خواهد بود.

فهرست منابع ذکر شده

1.گورویچ، A.G. فیزیک جامدات - Proc. کتابچه راهنمای دانشگاه ها/موسسه فیزیکوتکنیک به نام. A.F. Ioffe RAS - سن پترزبورگ: گویش نوسکی. BVH-Petersburg, 2004.-320 pp.: ill.

2.ژدانوف، G.S. مبانی تجزیه و تحلیل پراش پرتو ایکس. - مسکو. - Gostekhizdat. - 1940. - 76 ص: ill.

.پوکویف، A.V. تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس - مسکو - ویرایش. 2،- 1981.- 127 ص.

.راخیمووا، N.T. دوره آموزشی با موضوع "تحلیل ساختاری اشعه ایکس" - Ufa. - 2012. - 30 p.

.بلوف، N.V. کریستالوگرافی ساختاری - سنت پترزبورگ - ویرایش. 4، 1951.-97 ص.

."ویکی پدیا". - دایره المعارف اینترنتی

.جیمز، آر. اصول نوری پراش اشعه ایکس - مسکو - Gostekhizdat.-ed. 1، 1950. - 146 pp.: ill.

8.جانستون دبلیو دی، جونیور ضرایب نوری غیرخطی و راندمان پراکندگی رامان فونون های LO و TO در کریستال های عایق غیر مرکزی // Phys. کشیش B. - 1970. - V.1، شماره 8. - ص3494-3503.

کارهای مشابه - تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس کریستال ها و تفسیر الگوهای پراش

ارسال کار خوب خود در پایگاه دانش ساده است. از فرم زیر استفاده کنید

دانشجویان، دانشجویان تحصیلات تکمیلی، دانشمندان جوانی که از دانش پایه در تحصیل و کار خود استفاده می کنند از شما بسیار سپاسگزار خواهند بود.

ارسال شده در http://www.allbest.ru/

آژانس فدرال آموزش و پرورش مؤسسه آموزشی دولتی آموزش عالی حرفه ای دانشگاه ایالتی بشیر دانشکده فن آوری شیمی گروه شیمی فنی

کار دوره

"تحلیل ساختاری اشعه ایکس"

مدرس: دکترای علوم فیزیک و ریاضی، پروفسور چوویروف A.N.

دانش آموز: Rakhimova N.T.

گروه: HFMM-3

1. معرفی

2. پیشینه تاریخی

3.1 ماهیت سیگنال های SAR

7. ادبیات

1. معرفی

تجزیه و تحلیل پراش پرتو ایکس روشی برای مطالعه ساختار اجسام با استفاده از پدیده پراش پرتو ایکس، روشی برای مطالعه ساختار ماده با توزیع فضایی و شدت تابش پرتو ایکس پراکنده بر روی جسم مورد تجزیه و تحلیل است. الگوی پراش به طول موج پرتوهای ایکس مورد استفاده و ساختار جسم بستگی دارد. برای مطالعه ساختار اتمی، از تابش با طول موج ~1E استفاده می شود، یعنی. ترتیب اندازه اتمی

روش های آنالیز پراش اشعه ایکس برای مطالعه فلزات، آلیاژها، مواد معدنی، ترکیبات معدنی و آلی، پلیمرها، مواد آمورف، مایعات و گازها، مولکول های پروتئین، اسیدهای نوکلئیک و غیره استفاده می شود. تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس روش اصلی برای تعیین ساختار بلورها است. هنگام مطالعه کریستال ها، بیشترین اطلاعات را ارائه می دهد. با این حال، هنگام مطالعه اجسام با ساختار کمتر مرتب شده، مانند مایعات، اجسام آمورف، کریستال های مایع، پلیمرها و غیره، اطلاعات ارزشمندی را نیز ارائه می دهد. بر اساس ساختارهای اتمی متعددی که قبلاً رمزگشایی شده‌اند، می‌توان مشکل معکوس را نیز حل کرد: از الگوی پراش اشعه ایکس یک ماده چند کریستالی، به عنوان مثال، فولاد آلیاژی، آلیاژ، سنگ معدن، خاک قمری، می‌توان ترکیب کریستالی این ماده را تعیین کرد. یعنی می توان آنالیز فاز را انجام داد.

در طی آنالیز پراش اشعه ایکس، نمونه مورد مطالعه در مسیر پرتو ایکس قرار می گیرد و الگوی پراش حاصل از برهم کنش پرتوها با ماده ثبت می شود. در مرحله بعدی مطالعه، الگوی پراش تجزیه و تحلیل می شود و با محاسبه، آرایش نسبی ذرات در فضا که باعث پیدایش این الگو شده است، مشخص می شود.

سه روش اساساً متفاوت برای عکاسی با اشعه ایکس از کریستال ها وجود دارد: دو روش - روش چرخشی و روش پودری - از تابش تک رنگ استفاده می کنند و سومی - روش Laue - از طیف سفید اشعه ایکس استفاده می کند. یکی از تغییرات روش چرخش، روش نوسان کریستالی است. علاوه بر این، روش چرخش را می توان به دو نوع تقسیم کرد: در یک مورد، چرخش یا چرخش کریستال با یک فیلم ثابت (روش معمول چرخش یا چرخش) رخ می دهد و در مورد دیگر، فیلم همزمان با فیلم حرکت می کند. چرخش کریستال (روش‌های اسکن خط لایه یا، همانطور که به آنها گفته می‌شود، اغلب روش‌های گونیومتری اشعه ایکس نامیده می‌شوند).

روش های گونیومتری اشعه ایکس شامل روش های پراش سنجی نیز می شود. تفاوت اصلی آن در این است که اشعه ایکس نه با فیلم عکاسی، بلکه توسط دستگاه یونیزاسیون یا شمارنده سوسوزن ثبت می شود.

2. پیشینه تاریخی

پراش پرتو ایکس توسط کریستال ها در سال 1912 توسط فیزیکدانان آلمانی M. Laue، W. Friedrich و P. Knipping کشف شد. آنها با هدایت پرتو باریکی از اشعه ایکس به سمت یک کریستال ساکن، یک الگوی پراش را روی صفحه عکاسی قرار داده شده در پشت کریستال، که شامل تعداد زیادی لکه به طور منظم قرار داشت، ثبت کردند. هر نقطه اثری از پرتو پراش است که توسط کریستال پراکنده شده است. اشعه ایکس به دست آمده با این روش Lauegram نامیده می شود (شکل 1).

پراش اشعه ایکس اتمی

برنج. 1. لائوگرام تک کریستال NaCI. هر نقطه نشان دهنده اثری از انعکاس پراش اشعه ایکس است. لکه های شعاعی منتشر در مرکز به دلیل پراکندگی اشعه ایکس توسط ارتعاشات حرارتی شبکه کریستالی ایجاد می شود.

تئوری پراش پرتو ایکس توسط کریستال‌ها که توسط Laue ایجاد شد، ارتباط بین طول موج l تابش، پارامترهای سلول واحد کریستال a، b، c (به شبکه کریستالی مراجعه کنید)، زوایای برخورد (a0، نسبت پرتوهای b0، g0) و پراش (a، b، g):

a (cosa-- cosa0) = hl،

b (cosb -- cosb0) = kl، (1)

c (cosg -- cosg0) =ll،

که در آن h، k، l اعداد صحیح هستند (شاخص های میلر). برای وقوع یک پرتو پراش، لازم است شرایط Laue داده شده [معادلات (1)] برآورده شود، که در پرتوهای موازی، اختلاف مسیر بین پرتوها، اتم های پراکنده مربوط به گره های شبکه همسایه، برابر با یک عدد صحیح باشد. تعداد طول موج

در سال 1913، W. L. Bragg و در همان زمان G. W. Wulf تفسیر بصری تری از وقوع پرتوهای پراش در یک کریستال ارائه کردند. آنها نشان دادند که هر یک از پرتوهای پراش را می توان به عنوان بازتابی از پرتو فرودی از یکی از سیستم های صفحات کریستالوگرافی در نظر گرفت. در همان سال، W. G. و W. L. Bragg برای اولین بار ساختار اتمی ساده ترین بلورها را با استفاده از روش های پراش اشعه ایکس مطالعه کردند. در سال 1916، P. Debye و P. Scherrer، فیزیکدان آلمانی، استفاده از پراش اشعه ایکس را برای مطالعه ساختار مواد پلی کریستالی پیشنهاد کردند. در سال 1938، کریستالوگراف فرانسوی A. Guinier روش پراکندگی پرتو ایکس با زاویه کوچک را برای مطالعه شکل و اندازه ناهمگنی‌های ماده ایجاد کرد.

کاربرد آنالیز پراش اشعه ایکس برای مطالعه طبقه وسیعی از مواد و ضرورت صنعتی این مطالعات، توسعه روش‌هایی را برای رمزگشایی ساختارها تحریک کرد. در سال 1934، فیزیکدان آمریکایی A. Paterson مطالعه ساختار مواد را با استفاده از عملکرد بردارهای بین اتمی (تابع Paterson) پیشنهاد کرد. دانشمندان آمریکایی D. Harker، J. Kasper (1948)، W. Zachariasen، D. Sayre و دانشمند انگلیسی W. Cochran (1952) پایه های به اصطلاح روش های مستقیم برای تعیین ساختارهای بلوری را پایه گذاری کردند. کمک بزرگی به توسعه پاترسون و روش های مستقیم تحلیل ساختاری اشعه ایکس توسط N. V. Belov، G. S. Zhdanov، A. I. Kitaigorodsky، B. K. Vainshtein، M. Porai-Koshits (اتحادیه شوروی)، L. Poling، P. Ewald، M. برگر، جی. کارل، جی. هاپتمن (ایالات متحده آمریکا)، ام. ولفسون (بریتانیا) و غیره. کار بر روی مطالعه ساختار فضایی پروتئین ها، که در انگلستان توسط جی. برنال (دهه 30) آغاز شد و با موفقیت توسط جی. Kendrew، M. Perutsem، D. Crowfoot-Hodgkin و دیگران نقش بسیار مهمی در توسعه زیست شناسی مولکولی ایفا کردند. در سال 1953، J. Watson و F. Crick مدلی از مولکول اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA) ارائه کردند که با نتایج مطالعات پرتو ایکس DNA به دست آمده توسط M. Wilkins مطابقت خوبی داشت.

3. روش های تجربی تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس

3.1 ماهیت سیگنال های SAR

برای به دست آوردن اطلاعات در مورد ساختار فضایی یک ماده از جمله پلیمرها از تابش اشعه ایکس استفاده می شود که طول موج آن از 0.1 تا 100 E است. در عمل برای به دست آوردن سیگنال (رفلکس) از پلیمرها، آنتی کاتد مس و نیکل استفاده می شود. فیلترها اغلب مورد استفاده قرار می گیرند که از آن یک خط K با طول موج = 1.54 E از طیف پیوسته تابش R متمایز می شود. مطالعه پلیمرهایی که از چنین تابشی استفاده می کنند امکان به دست آوردن اطلاعات هر دو در مورد ساختار مولکولی (پراش) را فراهم می کند. از اشعه ایکس در زوایای بزرگ) و در مورد ساختار فوق مولکولی (پراش پرتوهای R - در زوایای کوچک).

شما مفاهیم "پراش" و "تداخل" پرتوها را از یک درس فیزیک می دانید.

SAR بر اساس پدیده های بازتاب، پراکندگی، پراش و تداخل پرتوهای R است. پراش در همه انواع تابش ذاتی است: اگر چندین شکاف (نقص) در صفحه وجود داشته باشد، هر یک از آنها منبع امواج دایره ای یا کروی است (شکل 1). این امواج با یکدیگر تداخل (برهمکنش) دارند، در برخی مکان ها خنثی می شوند و در برخی دیگر تقویت می شوند (شکل 2).

در سال 1913، پدر و پسر براگ (انگلیسی) و دانشمند روسی وولف کشف کردند که پرتوی از پرتوهای R که از یک کریستال بیرون می آید، به گونه ای رفتار می کند که گویی از یک آینه، یک هواپیما منعکس شده است.

اجازه دهید چندین لایه اتمی را در نظر بگیریم که از یکدیگر در فاصله ای متناسب یا کمی بیشتر از تابش قرار دارند. اگر پرتوی از پرتوهای R به سمت چنین جسمی هدایت شود، آنگاه نقطه ای که تابش الکترومغناطیسی به آن می رسد می تواند منبع تابش بازتابی باشد. بیایید زاویه تابش یک موج مسطح را فرض کنیم، سپس زاویه انعکاس برابر با 2 خواهد بود.

برنج. 1. پراش تک شکافی

برنج. 2. تداخل امواج

به دلیل انعکاس از لایه‌های اتمی مختلف، یک تفاوت مسیر برابر با جایی که یک عدد صحیح مثبت است و طول موج تابش R فرود و منعکس شده به نظر می‌رسد. از ملاحظات ساده هندسی در می یابیم که تفاوت مسیر برابر است با

معادله (1) را معمولاً قانون ولف-براگ برای پراش پرتوهای ایکس توسط کریستال ها می نامند. نموداری که این قانون را نشان می دهد در شکل 1 ارائه شده است. 3.

برنج. 3. نمودار مسیر برخورد و پرتوهای منعکس شده در کریستال

برای یک شبکه سه بعدی با یک دوره یکسان در هر جهت (یعنی برای یک شبکه کریستالی حجیم)، باید سه شرط پراش برآورده شود که مقادیر سه زاویه را تعیین می کند - 1، 2، 3.

که در آن n، m، k اعداد صحیح هستند.

با این حال، سه زاویه در فضا را نمی توان به طور دلخواه انتخاب کرد، زیرا زوایای بین یک خط مستقیم دلخواه و سه محور مختصات متقابل عمود بر یکدیگر با یک شرایط هندسی مرتبط هستند.

معادلات (2) و (3) راه حل دارند، یعنی. محاسبه زوایای 1، 2، 3 را برای یک شبکه با پارامترهای داده شده، نه در هر طول موج، بلکه فقط آنهایی که سازگاری معادلات (2) و (3) را تضمین می کنند، ممکن می سازد. همه امواج دیگر بدون تولید ماکزیمم پراکنده می شوند.

پردازش نتایج به محاسبه اندازه دوره‌های هویت d (فاصله بین‌سطحی) در یک زاویه مشخص و تعیین‌شده تجربی برای حداکثر تابش منعکس شده کاهش می‌یابد. نظم ساختاری آرایش ماکرومولکول ها و اجزای آنها وجود چندین سطح تناوب را تعیین می کند که با دوره خاص خود مشخص می شود، که هر کدام دارای زاویه حداکثر بازتاب خاص خود هستند.

3.2 اشکال برای ارائه نتایج تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس

از نظر روش شناسی، تجزیه و تحلیل اشعه ایکس بر اساس یکی از سه گزینه انجام می شود که در روش آماده سازی نمونه و شکل ارائه نتایج متفاوت است.

روش Laue برای مطالعه تک بلورهای با اندازه های نسبتاً بزرگ (بیش از 1 میلی متر در محیط) استفاده می شود. نمونه در مسیر تابش پرتو ایکس پیوسته (پلی کروماتیک) قرار می گیرد که در آن همیشه طول موجی وجود خواهد داشت که معادلات (2) و (3) را برآورده کند. تصویر اشعه ایکس سیستمی از نقاط (بازتاب نقطه ای) از نظم های مختلف است. برای پلیمرها، به دلیل دشواری های بدست آوردن تک بلورهایی با چنین اندازه هایی، این روش عملاً مورد استفاده قرار نمی گیرد.

روش چرخش یا نوسان (روش براگ) مبتنی بر استفاده از تک بلور و تابش تک رنگ است. هنگام چرخش یا چرخش، کریستال می تواند به صفحه ای تبدیل شود که قانون ولف-براگ برای آن رعایت می شود. هر زمان که این اتفاق می افتد، یک رفلکس مربوطه رخ می دهد که توسط فیلم عکاسی قرار داده شده در داخل سیلندر، که نمونه در مرکز آن می چرخد ​​یا می چرخد، ثبت می شود.

روش پودر بیشتر برای پلیمرها مناسب است. برای به دست آوردن یک الگوی پراش اشعه ایکس، یک پرتو تک رنگ از پرتوهای R به یک نمونه پلی کریستالی (پودر) هدایت می شود. هنگامی که یک پرتو به کریستالی برخورد می کند که جهت آن نسبت به تابش فرودی قانون ولف-براگ را برآورده می کند، پراش از هر سیستم از صفحات هم جهت یکسان رخ می دهد. الگوی اشعه ایکس به شکل دایره های متحدالمرکز (حلقه ها) به دست می آید که با فیلم عکاسی عمود بر پرتو فرودی در پشت نمونه ثبت می شود.

یک الگوی پرتو ایکس را می توان به عنوان وابستگی شدت یکپارچه هر بازتاب پراش به زاویه 2 نوشت. شکل 4 الگوهای پراش معمولی برای پلیمرهای با درجه بلورینگی بالا (a)، ساختار مخلوط (b) و ساختار آمورف را نشان می دهد. ج).

برنج. 4. الگوهای پراش معمولی پلیمرها: ناحیه سایه دار - هاله آمورف. 01، 02، 03 - رفلکس ها

3.3 استفاده از نتایج پراش اشعه ایکس برای حل مشکلات در فناوری پلیمر

تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس ایده ای از ساختار ماده پلیمری و تغییرات آن تحت تأثیر عوامل مختلف مرتبط با شرایط پردازش: دما، بار، جهت گیری و غیره می دهد. کنترل ساختار پلیمری در فناوری تولید آن امکان انتخاب شرایط بهینه برای سنتز پلیمرهایی با خواص داده شده را فراهم می کند. در طول قرار گرفتن در معرض یک پلیمر، می توان بلافاصله اطلاعاتی در مورد انتقال فاز و ترکیبات ماکرومولکول ها به دست آورد.

پراش پرتوهای R در زوایای کوچک، قضاوت در مورد نظم ساختاری در آرایش ماکرومولکول‌ها و بخش‌های آن‌ها را در ناحیه‌ای با برد کوتاه و بلند، چگالی لایه‌های آمورف و معیوب بودن ساختارهای کریستالی ممکن می‌سازد. همه اینها برای پیش بینی رفتار یک پلیمر تحت تأثیرات ترمومکانیکی تحت شرایط پردازش مهم است.

مزیت XRD در مقایسه با میکروسکوپ الکترونی، که به فرد امکان می دهد اطلاعات مشابهی در مورد ساختار فوق مولکولی به دست آورد، سهولت آماده سازی نمونه با استفاده از روش پودر، حجم زیادی از اطلاعات با صرف زمان کمتر برای تجزیه و تحلیل است.

3.4 نمودار عملکردی دستگاه و اصل تولید سیگنال

ابزارهای اشعه ایکس باید برخی از الزامات اساسی را برآورده کنند که توسط قانون ولف-براگ و اپتیک اشعه R تعیین شده است:

امکان به دست آوردن تابش چند رنگ و تک رنگ.

تمرکز پرتو؛

حصول اطمینان از اجرای خودکار قانون؛

میانگین انعکاس روی سطح نمونه؛

تناسب آشکارساز تشعشع با تعداد کوانتوم های اشعه ایکس.

علامت گذاری زاویه پراش خودکار

در شکل شکل 5 ساختار عملکردی دستگاه DRON-3M را نشان می دهد.

برنج. 5. بلوک دیاگرام دستگاه DRON-3M:

1 - لوله اشعه ایکس; 2 - نمونه; 3 - آشکارساز تشعشع; 4 - مکانیزم گونیا با زاویه پراش خودکار; 5 - سیستم منبع تغذیه; 6 - سیستم خنک کننده; 7 - سیستم پردازش سیگنال آشکارساز; 8 - ضبط

تک رنگی با استفاده از یک ورقه فلزی حاصل می شود که یک طول موج را ارسال می کند و در صورت امکان، طول موج های دیگر را جذب می کند. فویل نیکل این خاصیت را دارد که 97 درصد تابش آنتی کاتد مس را جذب می کند و با جذب بسیار کم = 1.54 E انتقال می دهد.

هنوز هیچ لنزی وجود ندارد که بتواند پرتوهای R را فوکوس کند. بنابراین در طراحی دستگاه از دستگاه های ویژه ای برای انتخاب و اندازه گیری زوایا - گونیومترها استفاده شده است. گونیا به طور خودکار تمرکز تابش را در هر زاویه پراش حفظ می کند. این به طور خودکار قانون Wulff-Bragg را برآورده می کند زیرا سرعت زاویه ای چرخش نمونه ای که تابش روی آن می افتد در هر زمان 2 برابر کمتر از سرعت حرکت آشکارساز تشعشع (گیرنده) است. به همین دلیل در هر لحظه از زمان آشکارساز در زاویه 2 نسبت به تابش فرودی قرار می گیرد و نمونه در زاویه قرار می گیرد.

میانگین گیری تمام مکان های صفحات بازتابی در نمونه به دلیل چرخش آن حول محوری عمود بر صفحه بازتاب رخ می دهد.

یک شمارنده سوسوزن با مولتی‌پلایر نوری، که تناسب خوبی با تعداد کوانتوم‌های اشعه ایکس عرضه‌شده به آن دارد، به عنوان آشکارساز سیگنال استفاده می‌شود. برای تسهیل رمزگشایی تصاویر اشعه ایکس، زاویه پراش به طور خودکار بر روی نوار ضبط کننده توسط یک مدار الکترونیکی ویژه متصل به مکانیسم حرکت نمونه واقع در گونیا مشخص می شود.

4. تفسیر الگوهای پراش و پردازش نتایج تجزیه و تحلیل

4.1 تعیین اندازه عناصر سازه

هنگام مطالعه الگوهای پرتو ایکس یا الگوهای پراش به دست آمده از نمونه های پلیمرهای مختلف یا همان پلیمر، اما در شرایط مختلف به دست آمده، متوجه شدیم که بازتاب های پرتو ایکس یکسان دارای عرض های متفاوتی هستند. این با اندازه کوچک کریستالیت ها و نقص آنها توضیح داده می شود. اگر سهم نقص در گسترش سیگنال را در نظر نگیریم، می توان اندازه بلورها را از گسترش بازتاب تعیین کرد، زیرا سهم عیوب یک مرتبه قدر کمتر است.

اندازه کریستالیت (L) به عنوان اندازه موثر آن درک می شود، یعنی. مقدار مشخصی که مرتبه اندازه کریستالیت را مشخص می کند. مقدار L را می توان با استفاده از فرمول Scherer محاسبه کرد

اندازه کریستالیت کجاست، angstroms; - طول موج، آنگستروم؛ - گسترش خط، رادیان؛ - زاویه براگ، درجه؛ k ضریب بسته به شکل کریستالیت است.

مقدار در سطح نصف ارتفاع حداکثر خط پس از تفریق پس‌زمینه و هاله آمورف، در صورتی که در زیر قله‌های بلورینگی قرار داشته باشد، تعیین می‌شود. اگر شکل کریستال مشخص باشد ضریب k = 0.9 و اگر کریستال کروی باشد k = 1. در مورد دوم، L = 0.75D، که در آن D قطر کره است. برای پودری متشکل از دانه های همگن حجم V، با خطای کمتر از 20 درصد، حجم کریستال برابر با L3 با خطای کمتر از 50 درصد است.

برای به دست آوردن مقدار صحیح، از یک استاندارد، اغلب NaCl، با شدیدترین انعکاس در 2 = 31-34 یا یک نمونه استاندارد به خوبی متبلور شده از پلیمر مورد مطالعه با دانه های به اندازه کافی بزرگ استفاده کنید. برای او

که در آن B پهنای خط پلیمر مورد مطالعه است. - عرض خط مرجع

استاندارد و نمونه مورد مطالعه با عرض شکاف یکسان و کاهش شدت تیر اولیه برای استاندارد مورد بررسی قرار می گیرند (اصلاح باید کاملاً کم باشد). در یک منحنی پراش ثبت شده روی نوار نمودار، عرض خط بر حسب میلی متر اندازه گیری می شود. برای اعمال فرمول های (4) و (5) لازم است یک محاسبه مجدد انجام شود. به عنوان مثال، اجازه دهید یک درجه زاویه ای روی نوار با فاصله 27.3 میلی متر مطابقت داشته باشد. به نوبه خود، مشخص است که یک رادیان تقریباً برابر با 57.3 درجه است. سپس برای L در آنگستروم دریافت می کنیم

در 2 = 20є، = 1.54 E، = 2.2 میلی متر. L = 1000 E، و در
= 220 میلی متر و مقادیر مشابه سایر پارامترها L = 10 E. At
= 220 میلی متر خط با شدت بسیار گسترده است، عملاً مشاهده آن دشوار است، و در = 2.2 میلی متر حداکثر خط قابل اندازه گیری است.

در نتیجه، محدودیت‌های کاربرد روش، اندازه‌های کریستالیت مؤثر از 10 تا 1000 E است. اکثر نمونه‌های پلیمری صنعتی دارای اندازه بلورهای 50-500 E هستند. در محدوده کاربرد روش XRD. خطای اندازه گیری 10-20٪ است.

4.2 تعیین درجه بلورینگی پلیمرها

XRD امکان تجزیه و تحلیل فازی پلیمرها را فراهم می کند. یک مورد خاص از آنالیز فاز اشعه ایکس، تعیین درجه بلورینگی پلیمرها در اشعه ایکس است. بین این مشخصه و برخی خواص پلیمرها (چگالی، سختی، قدرت تسلیم مذاب و غیره) ارتباط وجود دارد. اما تغییرات در درجه بلورینگی به تنهایی نمی تواند رفتار پلیمرها را در شرایط مختلف توضیح دهد. اطلاعات اضافی در مورد تغییرات در ساختار فوق مولکولی به دست آمده با روش های دیگر هنوز مورد نیاز است. درجه تبلور اشعه ایکس همیشه با همان مشخصه تعیین شده توسط روش های دیگر منطبق نیست: طیف سنجی IR، NMR، دیلاتومتری، روش های حرارتی و غیره.

درجه بلورینگی () نسبت مولکول های مرتب بسته بندی شده را نسبت به مولکول های کاملاً بی نظم مشخص می کند، یعنی. نسبت فازهای کریستالی و آمورف در پلیمر (درجه نسبی بلورینگی)، % با استفاده از فرمول محاسبه می شود.

درجه کل بلورینگی پلیمر، %، با استفاده از فرمول محاسبه می شود

مساحت قسمت کریستالی (بالای هاله) کجاست. - ناحیه قسمت آمورف (زیر هاله).

برنج. 6. تقسیم ناحیه زیر منحنی پراش:

خط پس زمینه؛ - خط هاله؛ 1 - پلی استایرن ایزوتاکتیک؛ 2 - poly-4-methylpentene-1; 3 - پلی تترا فلوئورواتیلن; 4 - پلی پروپیلن اکسید

در عمل، نواحی زیر قله‌های کریستالی و هولوی آمورف بر روی الگوی پراش در محدوده محدودی از زوایای براگ با در نظر گرفتن تصحیح پس‌زمینه اندازه‌گیری می‌شوند و نسبت این نواحی پیدا می‌شود. مساحت ها با پلان متر، مربع های کاغذ گراف یا با روش وزن اندازه گیری می شوند: نواحی برش خورده و 1 سانتی متر مربع از همان کاغذی که روی آن کشیده شده اند را وزن کنید و از نسبت، مساحت هر شکل را پیدا کنید. . نمونه هایی از مناطق تقسیم شده در شکل نشان داده شده است. 6.

تقسیم ناحیه زیر منحنی پراش به قطعات کریستالی و بی شکل باعث مشکلات و خطاهای خاصی می شود که بستگی به شکل منحنی دارد. هنگام انجام چنین رویه ای، می توانید از معیار تجربی هرمنس استفاده کنید، که بر اساس آن، اگر حداکثر بازتاب حداقل 2 = 3 درجه از یکدیگر فاصله داشته باشد، همیشه یک نقطه بین دو قله وجود دارد که به هیچ یک از آنها تعلق ندارد. شدت قله های کریستالی و هاله آمورف باید در وسیع ترین محدوده ممکن از زوایای پراکندگی اندازه گیری شود.

5. تعیین ساختار اتمی از داده های پراش اشعه ایکس

رمزگشایی ساختار اتمی یک کریستال شامل موارد زیر است: تعیین اندازه و شکل سلول واحد آن. تعیین اینکه آیا یک کریستال متعلق به یکی از 230 گروه متقارن فدوروف (کشف شده توسط E. S. Fedorov) از کریستال ها است. به دست آوردن مختصات اتم های اساسی ساختار. مشکل اول و تا حدودی دوم را می توان با استفاده از روش Laue و چرخاندن یا چرخاندن کریستال حل کرد. در نهایت می توان گروه تقارن و مختصات اتم های اساسی ساختارهای پیچیده را تنها با کمک تجزیه و تحلیل پیچیده و پردازش ریاضی پر زحمت مقادیر شدت تمام بازتاب های پراش از یک کریستال معین ایجاد کرد. هدف نهایی چنین پردازشی محاسبه مقادیر چگالی الکترون r(x,y,z) در هر نقطه از سلول بلوری با مختصات x,y,z از روی داده‌های تجربی است. تناوب ساختار کریستالی به ما اجازه می دهد تا چگالی الکترون موجود در آن را از طریق سری فوریه بنویسیم:

c(x، y، z) = 1/V ? Fhkl exp [-2рi (hx + ky + lz)]، (2)

که در آن V حجم سلول واحد است، Fhkl ضرایب فوریه هستند که در R.S. آ. دامنه های ساختاری، i = v-1 نامیده می شوند. هر دامنه ساختاری با سه عدد صحیح hkl مشخص می شود و با انعکاس پراش همراه است که با شرایط (1) تعیین می شود. هدف از جمع (2) جمع آوری ریاضی بازتاب های پراش اشعه ایکس برای تولید تصویری از ساختار اتمی است. به این ترتیب تصویر را در R.S سنتز کنید. آ. این به دلیل عدم وجود عدسی در طبیعت برای تابش اشعه ایکس است (در اپتیک نور مرئی یک لنز جمع کننده برای این کار استفاده می شود).

بازتاب پراش یک فرآیند موجی است. با دامنه ای برابر با SFhklS و فاز ahkl (تغییر فاز موج منعکس شده نسبت به موج فرودی) مشخص می شود که از طریق آن دامنه ساختاری بیان می شود: Fhkl = SFhkl--S(cosahkl + isinahkl). آزمایش پراش به فرد اجازه می‌دهد که فقط شدت بازتاب متناسب با SFhklS2 را اندازه‌گیری کند، اما فازهای آنها را نه. تعیین فازها مشکل اصلی در رمزگشایی ساختار کریستالی است. تعیین فازهای دامنه ساختاری اساساً برای هر دو کریستال متشکل از اتم و بلورهای متشکل از مولکول یکسان است. با تعیین مختصات اتم ها در یک ماده کریستالی مولکولی، می توان مولکول های تشکیل دهنده آن را جدا کرد و اندازه و شکل آنها را تعیین کرد.

مشکل معکوس رمزگشایی ساختاری به راحتی حل می شود: محاسبه دامنه های ساختاری از ساختار اتمی شناخته شده، و از آنها شدت بازتاب های پراش. روش آزمون و خطا، از لحاظ تاریخی اولین روش رمزگشایی ساختارها، شامل مقایسه SFhklSexp تجربی به دست آمده با مقادیر SFhklScal محاسبه شده بر اساس یک مدل آزمایشی است. بسته به بزرگی ضریب واگرایی

مدل آزمایشی پذیرفته یا رد می شود. در دهه 30 روش‌های رسمی‌تری برای ساختارهای کریستالی توسعه داده شده‌اند، اما برای اجسام غیربلور آزمون و خطا تقریباً تنها وسیله تفسیر الگوی پراش است.

یک راه اساساً جدید برای رمزگشایی ساختارهای اتمی تک بلورها با استفاده از به اصطلاح باز شد. توابع پاترسون (توابع بردارهای بین اتمی). برای ساختن تابع پاترسون ساختار معینی متشکل از اتم های N، آن را به موازات خودش حرکت می دهیم تا اتم اول ابتدا به منشا ثابت برسد. بردارهایی از مبدأ تا همه اتم‌های ساختار (از جمله بردار با طول صفر تا اتم اول) موقعیت N ماکزیمم تابع بردارهای بین اتمی را نشان می‌دهند که مجموع آن‌ها تصویر ساختار در اتم 1 نامیده می‌شود. اجازه دهید N ماکزیمم دیگری را به آنها اضافه کنیم، که موقعیت آن N بردار از اتم دوم را نشان می دهد، که در حین انتقال موازی ساختار به همان مبدا قرار گرفته اند. پس از انجام این روش با تمام اتم های N (شکل 3)، بردارهای N2 را به دست می آوریم. تابعی که موقعیت آنها را توصیف می کند، تابع Paterson است.

برنج. 3. طرحی برای ساخت تابع پاترسون برای ساختاری متشکل از 3 اتم.

برای تابع Paterson P(u, u, w) (u, u, w مختصات نقاط در فضای بردارهای بین اتمی هستند) می توانیم عبارت را بدست آوریم:

P(u، x، u) = 2/V؟ |Fhkl|2 cos 2р (hu + kх + lш)، (4)

که از آن نتیجه می شود که توسط مدول های دامنه های ساختاری تعیین می شود، به فازهای آنها بستگی ندارد و بنابراین، می تواند مستقیماً از داده های آزمایش پراش محاسبه شود. مشکل در تفسیر تابع P (u، u، w) در نیاز به یافتن مختصات اتم های N از N2 ماکزیمم آن است، که بسیاری از آنها به دلیل همپوشانی هایی که هنگام ساختن تابع بردارهای بین اتمی به وجود می آیند، ادغام می شوند. ساده ترین حالت برای رمزگشایی P (u، u، w) زمانی است که ساختار دارای یک اتم سنگین و چندین اتم سبک باشد. تصویر چنین ساختاری در یک اتم سنگین تفاوت قابل توجهی با سایر تصاویر آن خواهد داشت. در بین روش های مختلفی که امکان تعیین مدل سازه مورد مطالعه را با استفاده از تابع پاترسون فراهم می کند، موثرترین آنها روش های موسوم به برهم نهی بود که امکان رسمی سازی تحلیل آن و انجام آن بر روی کامپیوتر را فراهم می کرد.

روش‌های تابع پاترسون هنگام مطالعه ساختار کریستال‌های متشکل از اتم‌هایی که از نظر عدد اتمی یکسان یا نزدیک هستند، با مشکلات جدی مواجه می‌شوند. در این مورد، روش های به اصطلاح مستقیم برای تعیین فازهای دامنه های ساختاری مؤثرتر بودند. با در نظر گرفتن این واقعیت که مقدار چگالی الکترون در یک کریستال همیشه مثبت (یا برابر با صفر) است، می توان تعداد زیادی نابرابری را بدست آورد که بر ضرایب فوریه (دامنه های ساختاری) تابع r(x) حاکم است. ، y، z). با استفاده از روش‌های نابرابری‌ها، می‌توان ساختارهای حاوی حداکثر 20-40 اتم را در سلول واحد یک کریستال نسبتاً آسان تجزیه و تحلیل کرد. برای ساختارهای پیچیده‌تر، روش‌های مبتنی بر رویکرد احتمالی برای مسئله استفاده می‌شود: دامنه‌های ساختاری و فازهای آنها به عنوان متغیرهای تصادفی در نظر گرفته می‌شوند. از مفاهیم فیزیکی، توابع توزیع این متغیرهای تصادفی به دست می‌آید که تخمین محتمل‌ترین مقادیر فاز را با در نظر گرفتن مقادیر تجربی مدول‌های دامنه‌های ساختاری ممکن می‌سازد. این روش ها بر روی کامپیوتر نیز اجرا می شوند و رمزگشایی ساختارهای حاوی 100-200 اتم یا بیشتر در سلول واحد یک کریستال را ممکن می سازند.

بنابراین، اگر فازهای دامنه‌های ساختاری ثابت شوند، طبق (2) می‌توان توزیع چگالی الکترون در کریستال را محاسبه کرد؛ حداکثر این توزیع با موقعیت اتم‌ها در ساختار مطابقت دارد (شکل 3). پالایش نهایی مختصات اتمی با استفاده از روش حداقل مربعات بر روی کامپیوتر انجام می شود و بسته به کیفیت آزمایش و پیچیدگی ساختار، به آنها اجازه می دهد تا با دقت هزارم E (با استفاده از پراش مدرن) به دست آیند. آزمایش، همچنین می توان مشخصات کمی ارتعاشات حرارتی اتم ها را در یک کریستال با در نظر گرفتن ناهمسانگردی این ارتعاشات محاسبه کرد). ر.س. آ. ایجاد ویژگی های ظریف تر ساختارهای اتمی، به عنوان مثال، توزیع الکترون های ظرفیت در یک کریستال را ممکن می کند. با این حال، این مشکل پیچیده تاکنون تنها برای ساده ترین سازه ها حل شده است. ترکیبی از پراش نوترون و مطالعات پرتو ایکس برای این منظور بسیار امیدوارکننده است: داده های پراش نوترون در مختصات هسته اتمی با توزیع فضایی ابر الکترونی به دست آمده با استفاده از پراش پرتو ایکس مقایسه می شود. آ. برای حل بسیاری از مشکلات فیزیکی و شیمیایی، مطالعات پراش اشعه ایکس و روش های تشدید با هم استفاده می شود.

اوج دستاوردهای تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، رمزگشایی ساختار سه بعدی پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک و سایر ماکرومولکول ها است. پروتئین ها، به عنوان یک قاعده، در شرایط طبیعی کریستال تشکیل نمی دهند. برای دستیابی به آرایش منظم مولکول های پروتئین، پروتئین ها متبلور می شوند و سپس ساختار آنها بررسی می شود. فازهای دامنه ساختاری کریستال های پروتئین را تنها می توان در نتیجه تلاش مشترک رادیوگراف ها و بیوشیمی دانان تعیین کرد. برای حل این مشکل، باید کریستال های خود پروتئین و همچنین مشتقات آن را با احتساب اتم های سنگین به دست آورد و مطالعه کرد و مختصات اتم ها در تمام این ساختارها باید منطبق باشد.

تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس امکان تعیین عینی ساختار مواد کریستالی از جمله مواد پیچیده مانند ویتامین ها، آنتی بیوتیک ها، ترکیبات هماهنگ کننده و غیره را ممکن می سازد. مطالعه ساختاری کامل یک کریستال اغلب به فرد اجازه می دهد تا مسائل کاملاً شیمیایی را حل کند، به عنوان مثال، ایجاد یا شفاف سازی فرمول شیمیایی، نوع پیوند، وزن مولکولی در یک چگالی یا چگالی در یک وزن مولکولی شناخته شده، تقارن و پیکربندی مولکول ها و یون های مولکولی

تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس با موفقیت برای مطالعه وضعیت کریستالی پلیمرها استفاده می شود. تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس همچنین اطلاعات ارزشمندی را در مطالعه اجسام آمورف و مایع ارائه می دهد. الگوهای پرتو ایکس چنین اجسامی حاوی چندین حلقه پراش تار هستند که شدت آنها با افزایش q به سرعت کاهش می یابد. بر اساس عرض، شکل و شدت این حلقه ها، می توان در مورد ویژگی های نظم کوتاه برد در یک ساختار مایع یا بی شکل خاص نتیجه گیری کرد.

یکی از زمینه های مهم کاربرد اشعه ایکس رادیوگرافی فلزات و آلیاژها است که به شاخه ای جداگانه از علم تبدیل شده است. مفهوم "رادیوگرافی"، همراه با تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس کامل یا جزئی، همچنین سایر روش های استفاده از اشعه ایکس - تشخیص نقص اشعه ایکس (انتقال)، تجزیه و تحلیل طیفی اشعه ایکس، میکروسکوپ اشعه ایکس و غیره را شامل می شود. ساختار فلزات خالص و بسیاری از آلیاژها مشخص شده است. شیمی کریستال آلیاژها، بر اساس تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، یکی از شاخه های پیشرو در علم فلزات است. اگر این آلیاژها توسط تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس مورد مطالعه قرار نگیرند، هیچ نمودار فازی از آلیاژهای فلزی را نمی توان به طور قابل اعتماد در نظر گرفت. به لطف استفاده از روش های تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، مطالعه عمیق تغییرات ساختاری که در فلزات و آلیاژها در طی پردازش پلاستیک و حرارتی آنها رخ می دهد، امکان پذیر شد.

روش تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس نیز دارای محدودیت های جدی است. برای انجام یک تجزیه و تحلیل کامل پراش اشعه ایکس، لازم است که ماده به خوبی متبلور شود و بلورهای به اندازه کافی پایدار بدهد. گاهی لازم است تحقیقات در دماهای بالا یا پایین انجام شود. این امر آزمایش را بسیار دشوار می کند. یک مطالعه کامل بسیار کار فشرده، زمان بر و مستلزم مقدار زیادی کار محاسباتی است.

برای ایجاد یک ساختار اتمی با پیچیدگی متوسط ​​(~50-100 اتم در یک سلول واحد)، اندازه گیری شدت چند صد و حتی هزاران انعکاس پراش ضروری است. این کار بسیار سخت و پرزحمت توسط میکرودانسیتومترهای خودکار و پراش سنج های کنترل شده توسط کامپیوتر، گاهی برای چندین هفته یا حتی ماه ها انجام می شود (به عنوان مثال، هنگام تجزیه و تحلیل ساختارهای پروتئین، زمانی که تعداد بازتاب ها به صدها هزار افزایش می یابد). در این راستا، در سال‌های اخیر، رایانه‌های پرسرعت برای حل مسائل آنالیز پراش اشعه ایکس به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته‌اند. با این حال، حتی با استفاده از رایانه، تعیین ساختار همچنان یک کار پیچیده و زمان بر است. با استفاده از چندین شمارنده در یک پراش سنج که می تواند به طور همزمان بازتاب ها را ثبت کند، می توان زمان آزمایش را کاهش داد. اندازه گیری های پراش سنجی از نظر حساسیت و دقت نسبت به ضبط عکس برتری دارند.

در حالی که تعیین عینی ساختار مولکول‌ها و ماهیت کلی برهمکنش مولکول‌ها در کریستال را ممکن می‌سازد، تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس همیشه امکان قضاوت با درجه اطمینان لازم را در مورد تفاوت‌های ماهیت مواد شیمیایی ممکن نمی‌سازد. پیوندهای درون مولکول، زیرا دقت تعیین طول پیوند و زوایای پیوند اغلب برای این منظور کافی نیست. محدودیت جدی روش نیز دشواری تعیین موقعیت اتم های سبک و به ویژه اتم های هیدروژن است.

7. ادبیات

1) Belov N.V., Structural Crystallography, M., 1951;

2) Zhdanov G.S.، مبانی تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس، M. - L.، 1940;

3) جیمز آر.، اصول نوری پراش اشعه ایکس، M.، 1950;

4) Bokiy G.B.، Poraj-Koshits M.A.، تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس. م.، 1964;

5) Igolinskaya N.M.، تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس پلیمرها، Kemerovo.، 2008;

ارسال شده در Allbest.ru

اسناد مشابه

تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس روشهای تجربی پایه تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس: روش لائو، روش پودر، چرخش کریستالی، پراکندگی زاویه کوچک، دبای شرر. تعیین ساختار اتمی از داده های پراش اشعه ایکس.

کار دوره، اضافه شده در 2015/12/28


مفهوم پردازش ریاضی نتایج تجزیه و تحلیل و ارزیابی کیفیت. صحت، دقت، قابلیت اطمینان نتایج تجزیه و تحلیل. ثبت و اندازه گیری مقدار سیگنال تحلیلی. شرح و ماهیت نتایج به دست آمده پس از تجزیه و تحلیل.

چکیده، اضافه شده در 2009/01/23


طیف سنجی کروماتوما در شیمی آلی طیف‌سنجی مادون قرمز: اصول فیزیکی و شیمیایی، ابزار. نمونه ای از کروماتوگرام تمام یونی. بلوک دیاگرام یک طیف سنج فوریه. رمزگشایی فرمول یک ترکیب آلی بر اساس آنالیز عنصری.

تست، اضافه شده در 1395/05/17


مفهوم و ماهیت تحلیل کیفی. هدف، روش های ممکن، شرح و ویژگی های آنها. تجزیه و تحلیل شیمیایی کیفی مواد معدنی و آلی. پردازش ریاضی نتایج تجزیه و تحلیل و همچنین توصیف مقادیر شاخص.

چکیده، اضافه شده در 2009/01/23


تعیین پیکربندی انانتیمرهای طبیعی به عنوان مهمترین وظیفه شیمی آلی. تعیین پیکربندی مطلق ترکیبات با تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس. تعریف پیکربندی نسبی پراکندگی چرخش نوری

چکیده، اضافه شده در 1395/05/23


کاربرد روش های آماری برای محاسبه و پردازش مطالعات فرآیندهای شیمیایی. پردازش آماری نتایج تجزیه و تحلیل با احتمال اطمینان 0.9 = P، ایجاد یک رابطه عملکردی بین مقادیر داده شده است.

تست، اضافه شده در 2008/01/29


انجام تجزیه و تحلیل یک ماده برای تعیین ترکیب کیفی یا کمی آن. روش های شیمیایی، فیزیکی و فیزیکوشیمیایی برای جداسازی و تعیین اجزای ساختاری سیستم های ناهمگن. پردازش آماری نتایج

چکیده، اضافه شده در 1394/10/19


ساختار و خواص فیزیکوشیمیایی لاکتوفرین روش های پراش نوری و اشعه ایکس. آشنایی با شرایط انجام ژل کروماتوگرافی پروتئین ها. تجزیه و تحلیل اشکال الیگومری لاکتوفرین با استفاده از روش‌های کروماتوگرافی ژل، پراکندگی نور و آبلیشن.

پایان نامه، اضافه شده در 2012/04/28


استفاده در روشهای فیزیکوشیمیایی برای تجزیه و تحلیل وابستگی خواص فیزیکی مواد به ترکیب شیمیایی آنها. روشهای تحلیل ابزاری (فیزیکی) با استفاده از ابزار. آنالیز شیمیایی (کلاسیک) (تیتریمتری و وزن سنجی).

چکیده، اضافه شده در 2009/01/24


ویژگی های هافنیوم مطالعه روش های اسپکتروفتومتری آنالیز. تعیین هافنیوم با استفاده از زایلن اورانژ، پیروکاتکل ویولت، کورستین و مورین. مقایسه معرف ها بر اساس حساسیت. روشهای تجزیه و تحلیل الکتروشیمیایی

تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس(تحلیل پراش اشعه ایکس) - روش هایی برای مطالعه ساختار اتمی ماده با توزیع در فضا و شدت پرتوهای ایکس پراکنده بر روی جسم مورد تجزیه و تحلیل. . ر.س. آ. کریستالی مواد به شما امکان می دهد مختصات اتم ها را با دقت 0.1-0.01 نانومتر تعیین کنید، ویژگی های حرارتی این اتم ها، از جمله ناهمسانگردی و انحراف از هارمونیک را تعیین کنید. قانون، با آزمایش دریافت کنید. . داده ها در مورد توزیع چگالی الکترون ظرفیت در فضا بر اساس شیمیایی. پیوند در کریستال ها و مولکول ها. از این روش ها برای مطالعه فلزات و آلیاژها، مواد معدنی، معدنی استفاده می شود. و ارگانیک ترکیبات، پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، ویروس ها. متخصص. روش های R.s. آ. به شما امکان می دهد پلیمرها، مواد آمورف، مایعات و گازها را مطالعه کنید.

در میان پراش روشهای مطالعه ساختار اتمی ماده R.s. آ. بیشترین است گسترده و توسعه یافته است. قابلیت های آن با روش ها تکمیل می شود نوترونوگرافیو پراش الکترون.انکسار تصویر به ساختار اتمی جسم مورد مطالعه، ماهیت و طول موج اشعه ایکس بستگی دارد. تابش - تشعشع. برای ایجاد ساختار اتمی یک ماده، بیشتر. استفاده موثر از اشعه ایکس تابش با طول موج ~ 10 نانومتر یا کمتر، یعنی به ترتیب اندازه های اتمی. به خصوص با موفقیت و با دقت بالا با استفاده از روش های R. s. آ. مطالعه ساختار اتمی کریستالی اشیایی که ساختار آنها دارای تناوب شدید است و بنابراین طبیعی هستند. پراش سه بعدی شبکه اشعه ایکس تابش - تشعشع.

مرجع تاریخی

در قلب R.s. آ. کریستالی مواد نهفته دکترین از. در سال 1890 روسی کریستالوگراف E. S. Fedorov و German. ریاضیدان A. Schonflis مشتق 230 گروه فضایی را تکمیل کرد که همه راه های ممکن برای قرار دادن اتم ها در کریستال ها را مشخص می کند. پراش اشعه ایکس پرتوهای روی کریستال ها، جزء آزمایش. بنیاد R.s. a.، در سال 1912 توسط M. Laue و کارمندانش W. Friedrich و P. Knipping کشف شد. تئوری پراش اشعه ایکس که توسط Laue ارائه شد. پرتوهای روی کریستال ها ارتباط طول موج تابش، ابعاد خطی سلول واحد کریستال a را ممکن می سازد، قبل از میلاد مسیحزوایای برخورد و پرتوهای پراش بر اساس نسبت ها

جایی که ساعت, k، l- تمام اعداد ( شاخص های کریستالوگرافیروابط (1) معادله Laue نامیده می شود که تحقق آنها برای وقوع پراش پرتو ایکس ضروری است. پرتوهای روی کریستال معنای معادلات (1) این است که بین پرتوهای موازی، اتم های پراکنده مربوط به محل های شبکه همسایه باید مضرب صحیح باشند.

در سال 1913، W. L. Bragg و G. W. Wulf این پراش را نشان دادند. اشعه ایکس پرتو را می توان به عنوان بازتابی از یک پرتو فرودی از یک سیستم کریستالوگرافی خاص در نظر گرفت. هواپیماهایی با فاصله بین صفحه د: زاویه بین صفحه بازتابنده و صفحه پراش کجاست. پرتو (زاویه براگ). در سال 1913-1914، W. G. و W. L. Bragg برای اولین بار از پراش پرتو ایکس استفاده کردند. اشعه برای آزمایش بررسی ساختار اتمی قبلا پیش بینی شده بلورهای NaCl، Cu، الماس و غیره توسط W. Barlow. در سال 1916، P. Debye و P. Scherrer پراش را پیشنهاد و توسعه دادند. روش های مطالعات پراش اشعه ایکس پلی کریستالی. مواد ( روش Debye - Scherrer).

به عنوان منبع اشعه ایکس. اشعه، اشعه ایکس مهر و موم شده استفاده شد (و هنوز هم استفاده می شود). لوله های با آند از تجزیه. فلزات و بنابراین با ویژگی های متناظر متفاوت. تابش - Fe (= 19.4 نانومتر)، مس (= 15.4 نانومتر)، Mo (= 7.1 نانومتر)، Ag (= 5.6 نانومتر). بعداً، لوله‌های قدرتمندتری با آند چرخان ظاهر شدند؛ قوی‌ترین آنها نیز برای مطالعات ساختاری استفاده می‌شوند. یک منبع پرتو ایکس قدرتمند با طیف تابش سفید (پیوسته). تابش سنکروترون. با استفاده از یک سیستم تک رنگ، می توان به طور مداوم اشعه ایکس سنکرترون مورد استفاده در مطالعه را تغییر داد. تشعشعات، که هنگام استفاده در سیستم های راداری از اهمیت اساسی برخوردار است. آ. اثرات پراکندگی غیرعادی به عنوان آشکارساز تشعشع در R.s. آ. اشعه ایکس خدمت می کند فیلم عکاسی که با سوسوزن و آشکارسازهای نیمه هادی جایگزین شده است. کارایی سنجیده خواهد شد. سیستم ها با استفاده از آشکارسازهای مختصات یک بعدی و دو بعدی به طور چشمگیری افزایش یافته است.

کمیت و کیفیت اطلاعات به دست آمده با استفاده از R.s. الف، به دقت اندازه گیری ها و پردازش تجربی بستگی دارد. داده ها. الگوریتم های پردازش پراش داده ها با تقریب تئوری تعامل اشعه ایکس مورد استفاده تعیین می شوند. تابش با ماده در دهه 1950 استفاده از رایانه در تکنیک آزمایشات پراش اشعه ایکس و برای آزمایشات پردازش آغاز شد. داده ها. سیستم های کاملاً خودکار برای مطالعه مواد کریستالی ایجاد شده است. مواد مورد استفاده برای انجام آزمایش، پردازش تجربی. داده، پایه مراحل ساخت و اصلاح مدل اتمی سازه و در نهایت به صورت گرافیکی. ارائه نتایج تحقیق با این حال، با کمک این سیستم ها هنوز امکان مطالعه خودکار وجود ندارد. بلورهای حالت با تقارن کاذب، نمونه های دوقلو و کریستال هایی با سایر ویژگی های ساختاری.

روش های تجربی تجزیه و تحلیل ساختاری اشعه ایکس

برای اجرای شرایط پراش (1) و ثبت موقعیت در فضا و شدت پرتو ایکس پراش. تابش اشعه ایکس است. دوربین ها و اشعه ایکس پراش سنج با ثبت تشعشع، به ترتیب photogr. روش ها یا آشکارسازهای تشعشع ماهیت نمونه (تک بلور یا پلی کریستال، نمونه با ساختار جزئی مرتب شده یا جسم آمورف، مایع یا گاز)، اندازه آن و مشکل حل شده نوردهی مورد نیاز و دقت ثبت پرتوهای ایکس پراکنده را تعیین می کند. تشعشع و در نتیجه روش خاصی از تابش اشعه ایکس. آ. برای مطالعه تک بلورها در صورت استفاده به عنوان منبع اشعه ایکس. تابش اشعه ایکس مهر و موم شده لوله، حجم نمونه ~ 3-10 میلی متر 3 کافی است. برای به دست آوردن پراش با کیفیت بالا. نمونه نقاشی باید کامل ترین ساختار ممکن را داشته باشد و بلوک بودن آن با مطالعات ساختاری تداخلی نداشته باشد. ساختار واقعی تک بلورهای بزرگ و تقریبا کامل توسط کاوش شده است توپوگرافی اشعه ایکسکه گاهی از آن به عنوان R.s نیز یاد می شود. آ.

روش Laue- ساده ترین روش برای به دست آوردن الگوهای پراش اشعه ایکس تک بلورها. کریستال در آزمایش Laue بی حرکت است و از اشعه ایکس استفاده شده است. تابش یک طیف پیوسته دارد. محل پراش نقاط در Lauegrams بستگی به اندازه سلول واحد و تقارن کریستالیو همچنین در جهت گیری نمونه نسبت به اشعه ایکس فرودی. پرتو. روش Laue این امکان را فراهم می کند که یک بلور واحد را به یکی از 11 گروه تقارن Laue اختصاص دهیم و جهت ساختار کریستالوگرافی آن را تعیین کنیم. محورها دقیق به زاویه دقیقه (نگاه کنید به روش لائو). بر اساس ماهیت پراش. لکه‌های روی Lauegrams و به‌ویژه با ظاهر ستاره‌ای (تار شدن لکه‌ها) در داخل قابل شناسایی است. تنش و برخی دیگر از ویژگی های ساختاری نمونه. روش Laue برای بررسی کیفیت تک کریستال ها و انتخاب بیشتر استفاده می شود. نمونه های عالی برای یک مطالعه ساختاری کامل تر (روش های گونیومتری اشعه ایکس؛ زیر را ببینید).

با استفاده از روش‌های تکان دادن و چرخش نمونه، دوره‌های تکرارپذیری (ترجمه‌ها) در امتداد خطوط کریستالوگرافی مشخص می‌شوند. جهت ها، تقارن کریستال را بررسی کنید، و همچنین شدت پراش را اندازه گیری کنید. بازتاب ها نمونه در طول آزمایش به ارتعاش در می آید. یا چرخش حرکت نسبت به یک محور منطبق با یکی از کریستالوگرافی محورهای نمونه، که به طور مقدماتی عمود بر پرتو ایکس فرودی هستند. پرتو. انکسار تصویر ایجاد شده توسط تک رنگ تابش، ثبت شده توسط اشعه ایکس. فیلم در یک استوانه قرار دارد نوار کاست، محور برش با محور ارتعاش نمونه منطبق است. انکسار با این هندسه تصویربرداری، لکه‌های روی فیلم باز شده روی یک خانواده از خطوط مستقیم موازی قرار دارند (شکل 1). دوره بازگشت تیدر امتداد کریستالوگرافی جهت برابر است با:

جایی که D- قطر کاست، - فاصله بین خطوط مستقیم مربوطه در رادیوگرافی. از آنجایی که ثابت است، شرایط Laue (1) با تغییر زوایای هنگام تکان دادن یا چرخش نمونه برآورده می شود. به طور معمول، الگوهای پراش اشعه ایکس نمونه تکان و چرخان را نشان می دهد. لکه ها همپوشانی دارند برای جلوگیری از این اثر نامطلوب، می توانید زاویه را کاهش دهید. دامنه ارتعاشات نمونه این تکنیک، به عنوان مثال، در R.s. آ. پروتئین ها، که در آن از الگوهای تکان اشعه ایکس برای اندازه گیری شدت پراش استفاده می شود. بازتاب ها

برنج. 1. الگوی پراش اشعه ایکس سیدوسریت معدنی Na 4 MnTi (Zr, Ti) 2 0 2 (F, OH) 2 2.

روش های گونیومتری اشعه ایکس برای مطالعه ساختاری کامل یک کریستال با استفاده از روش های اشعه ایکس. آ. تعیین موقعیت در فضا و اندازه گیری شدت انتگرال تمام پراش ها ضروری است. بازتاب هایی که هنگام استفاده از تابش از این رخ می دهد. برای انجام این کار، در طول آزمایش، نمونه باید دقتی از مرتبه زاویه ای داشته باشد. دقیقه برای گرفتن جهت گیری، که در آن شرایط (1) به طور مداوم برای همه خانواده های کریستالوگرافی برآورده می شود. هواپیماهای نمونه؛ در این مورد، بسیاری از آنها ثبت نام می کنند. صدها و حتی هزاران پراش. رفلکس ها هنگام ثبت پراش نقاشی های اشعه ایکس در فیلم عکاسی، شدت انعکاس ها بر اساس درجه سیاه شدن و اندازه الگوی پراش توسط یک میکرودانسیتومتر تعیین می شود. لکه ها در تجزیه انواع مختلفی از گونیومتر اجرا می شود. ژئوم طرح های ثبت پراش نقاشی ها مجموعه کاملی از شدت های پراش. انعکاس ها روی یک سری اشعه ایکس به دست می آیند؛ بازتاب ها روی هر اشعه ایکس ثبت می شود؛ در کریستالوگرافی. که شاخص های آن تعریف شده است. محدودیت های. به عنوان مثال، بازتاب از نوع hk0, hk1(برنج. 2) . برای ایجاد ساختار اتمی یک کریستال که سلول واحد آن دارای 100 اتم است، لازم است چندین مورد اندازه گیری شود. هزار پراش بازتاب ها در مورد تک بلورهای پروتئین، حجم آزمایش به 10 4 -10 6 بازتاب افزایش می یابد.

برنج. 2. الگوی اشعه ایکس از سیدوسریت معدنی، به دست آمده در گونیومتر اشعه ایکس Weissenberg. بازتاب های پراش ثبت شده دارای اندیس هایی هستند. انعکاس های واقع در یک منحنی با یک شاخص ثابت k مشخص می شوند.

هنگام جایگزینی فیلم عکاسی با شمارنده اشعه ایکس. کوانتومی، حساسیت و دقت اندازه گیری شدت پراش افزایش می یابد. بازتاب ها در مدرن خودکار پراش سنج ها دارای 4 محور چرخش هستند (3 محور برای نمونه و 1 محور برای آشکارساز)، که به آنها اجازه می دهد تا روش های ثبت پراش هندسه های مختلف را پیاده سازی کنند. بازتاب ها چنین دستگاهی جهانی است، با استفاده از رایانه و الگوریتم ها و برنامه های ویژه توسعه یافته کنترل می شود. وجود یک کامپیوتر به شما امکان می دهد بازخورد، بهینه سازی اندازه گیری هر پراش را معرفی کنید. بازتاب و در نتیجه طبیعی است. روشی برای برنامه ریزی کل پراش آزمایش اندازه گیری شدت با توان آماری لازم برای حل مشکل سازه ای انجام می شود. دقت. با این حال، افزایش دقت اندازه گیری شدت با یک مرتبه بزرگی مستلزم افزایش زمان اندازه گیری به اندازه دو مرتبه بزرگی است. دقت اندازه گیری ها با کیفیت نمونه مورد مطالعه محدود می شود. برای کریستال‌های پروتئین (به زیر مراجعه کنید)، زمان آزمایش با استفاده از آشکارسازهای دو بعدی کاهش می‌یابد که در آن چندین اندازه‌گیری به صورت موازی انجام می‌شود. ده ها پراش بازتاب ها در این صورت امکان بهینه سازی اندازه گیری ها در سطح دپارتمان از بین می رود. رفلکس

روش بررسی پلی کریستال ها (روش دبای- شرر). برای R.s. آ. کریستالی پودر، سرامیک مواد و غیره پلی کریستالی. اجسام متشکل از تعداد زیادی تک کریستال کوچک که به طور تصادفی نسبت به یکدیگر جهت گیری می کنند، تک رنگ استفاده می شود. اشعه ایکس تابش - تشعشع. الگوی پراش اشعه ایکس از پلی کریستال. نمونه (de-baegram) مجموعه ای از غنی متمرکز است. حلقه هایی که هر کدام از حلقه های پراش تشکیل شده اند. بازتاب از تفاوت. سیستم های کریستالوگرافی جهت گیری در دانه های مختلف. هواپیماهایی با فاصله بین صفحه ای مشخص د. کیت دو شدت پراش مربوطه. بازتاب ها برای هر کریستالی فردی هستند. مواد روش Debye-Scherrer در شناسایی ترکیبات و تجزیه و تحلیل مخلوط های پلی کریستالی استفاده می شود. مواد بر اساس کیفیت و مقادیر ترکیب اجزای مخلوط فازی تجزیه و تحلیل توزیع شدت در حلقه های Debye تخمین اندازه دانه ها، وجود تنش ها و جهت گیری های ترجیحی (بافت) در آرایش دانه ها را ممکن می سازد (شکل 2 را ببینید). پراش اشعه ایکس مواد، روش دبای - شرر).

در دهه 1980 - 90. در R.s. آ. روشی برای پالایش ساختار اتمی ذرات کریستالی شروع به استفاده کرد. مواد توسط پراش داده های پلی کریستالی مواد ارائه شده توسط X.M. Rietveld (N.M. Rietveld) برای پراش نوترون. پژوهش. روش Rptveld (روش تجزیه و تحلیل با مشخصات کامل) زمانی استفاده می شود که یک مدل ساختاری تقریبی از ترکیب مورد مطالعه مشخص باشد؛ از نظر دقت نتایج، می تواند با روش های پراش اشعه ایکس برای مطالعه تک بلورها رقابت کند.

مطالعه مواد آمورف و اجسام با نظم جزئی. هر چه درجه ترتیب ساختار اتمی ماده مورد تجزیه و تحلیل کمتر باشد، اشعه ایکس پراکنده شده توسط آن تارتر و پراکنده تر می شود. تابش - تشعشع. با این حال، پراش مطالعات حتی اجسام بی شکل نیز امکان به دست آوردن اطلاعات در مورد ساختار آنها را فراهم می کند. بنابراین، قطر یک حلقه پراکنده در الگوی پراش اشعه ایکس از یک ماده بی شکل (شکل 3) به فرد امکان می دهد میانگین را تخمین بزند. فواصل بین اتمی در آن با افزایش درجه نظم در ساختار اجسام پراش. تصویر پیچیده تر می شود (شکل 4) و بنابراین حاوی اطلاعات ساختاری بیشتری است.

برنج. 3. الگوی پراش اشعه ایکس یک ماده آمورف - استات سلولز.

برنج. 4. تصاویر اشعه ایکس از اشیاء بیولوژیکی: الف - مو. ب - نمک سدیم DNA در حالت مرطوب. ج - بافت DNA نمک سدیم.

روش پراکندگی با زاویه کوچک. در مواردی که ابعاد ناهمگونی در موضوع مورد مطالعه از فواصل بین اتمی فراتر رفته و از 0.5-1 تا 103 نانومتر متغیر است، یعنی چندین برابر بیشتر از طول موج تابش استفاده شده، پرتو ایکس پراکنده می شود. تشعشع در نزدیکی پرتو اولیه متمرکز می شود - در ناحیه زوایای پراکندگی کوچک. توزیع شدت در این ناحیه نشان دهنده ویژگی های ساختاری شی مورد مطالعه است. بسته به ساختار جسم و اندازه ناهمگنی ها، شدت اشعه ایکس. پراکندگی در زوایای کسری از دقیقه تا چند اندازه گیری می شود. درجه.

زاویه کوچک پراکندگی برای مطالعه مواد متخلخل و ریز پراکنده، آلیاژها و مواد بیولوژیکی استفاده می شود. اشیاء. آنها می گویند که برای مولکول های پروتئین و اسیدهای نوکلئیک در محلول ها، این روش به فرد اجازه می دهد تا با وضوح پایین شکل و اندازه یک مولکول را تعیین کند. جرم، در ویروس ها - ماهیت آرایش متقابل اجزای تشکیل دهنده آنها (پروتئین، اسیدهای نوکلئیک، لیپیدها)، به صورت مصنوعی. در پلیمرها - بسته بندی زنجیره های پلیمری، در پودرها و جاذب ها - توزیع ذرات و منافذ بر اساس اندازه، در آلیاژها - برای تشخیص ظهور فازهای جدید و تعیین اندازه این اجزاء، در بافت ها (به ویژه در کریستال های مایع) - بسته بندی ذرات (مولکول ها) در انواع مختلف ساختارهای فوق مولکولی. روش زاویه کم مؤثر بود. پراکندگی و برای مطالعه ساختار فیلم های لانگمویر. همچنین در صنعت برای کنترل فرآیندهای تولید کاتالیزورها، زغال سنگ بسیار پراکنده و غیره استفاده می شود.

تجزیه و تحلیل ساختار اتمی کریستال ها

تعیین ساختار اتمی بلورها شامل موارد زیر است: تعیین شکل و ابعاد سلول واحد، تقارن کریستال (تعلق به یکی از 230 گروه فدوروف) و مختصات اتم های اصلی ساختار. مطالعات ساختاری دقیق نیز امکان به دست آوردن مقادیر را فراهم می کند. ویژگی‌های حرکات حرارتی اتم‌ها در یک کریستال و توزیع فضایی الکترون‌های ظرفیت در آن. برای تعیین متریک کریستالی از روش های Laue و نمونه تاب استفاده می شود. رنده. برای تجزیه و تحلیل بیشتر، اندازه گیری شدت همه پراش های ممکن ضروری است. بازتاب از نمونه مورد مطالعه در یک l معین. پردازش اولیه آزمایش داده ها هندسه پراش را در نظر می گیرند. آزمایش، جذب تشعشع در نمونه و سایر اثرات ظریف تر برهمکنش تابش با نمونه.

تناوب سه بعدی کریستال این امکان را فراهم می کند که توزیع الکترونیک آن در فضا را به یک سری فوریه گسترش دهد:

جایی که V- حجم سلول واحد کریستال، F hkl- ضرایب فوریه که بر حسب R.s می باشد. آ. تماس گرفت دامنه های ساختاری هر دامنه ساختاری با اعداد صحیح مشخص می شود h،k،l- کریستالوگرافی شاخص مطابق با (1) و به طور منحصر به فرد با یک پراش مطابقت دارد. انعکاس تجزیه (2) به صورت فیزیکی در پراش اجرا می شود. آزمایش

پایه ای دشواری تحقیق ساختاری همان پراش معمولی است. این آزمایش اندازه گیری شدت پراش را ممکن می کند. دسته ها من hklاما اجازه ضبط فازهای آنها را نمی دهد. برای یک کریستال موزاییک در سینماتیک نزدیک شدن . تجزیه و تحلیل آزمایشات آرایه، با در نظر گرفتن انقراض منظم رفلکس ها، این امکان را فراهم می کند که به طور واضح تعلق آن را به یکی از 122 رونتگن ثابت کند. گروه های تقارن در غیاب پراکندگی پراش غیرعادی. تصویر همیشه مرکز متقارن است. برای تعیین گروه تقارن فدوروف، لازم است به طور مستقل تعیین شود که آیا کریستال دارای مرکز تقارن است یا خیر. این مشکل را می توان بر اساس تجزیه و تحلیل جزء غیرعادی پراکندگی اشعه ایکس حل کرد. اشعه ها در غیاب مورد دوم، منحنی های آماری ساخته می شوند. توزیع ها بر اساس مقادیرشان؛ این توزیع ها برای کریستال های متقارن و غیر مرکزی متفاوت است. فقدان یک مرکز تقارن نیز می تواند به طور واضح از فیزیک ثابت شود. خواص کریستال (پیرو الکتریک، فروالکتریک و غیره).

تبدیل فوریه رابطه (2) به ما اجازه می دهد تا فرمول های محاسباتی را برای محاسبه کمیت ها به دست آوریم. F hkl(در حالت کلی - پیچیده):

که در آن در. فاکتور پراکندگی اشعه ایکس تابش از یک اتم jj, x j، y j، z j- مختصات آن؛ جمع همه چیز را فرا می گیرد ناتم های سلول واحد

مسئله معکوس نسبت به تحقیق سازه ای به صورت زیر حل می شود: اگر مدل اتمی سازه مشخص باشد، با استفاده از (3) مدول ها و فازهای دامنه های سازه و در نتیجه شدت پراش محاسبه می شود. بازتاب ها انکسار این آزمایش اندازه گیری بسیاری را ممکن می سازد صدها دامنه که با تقارن مرتبط نیستند، که هر کدام با (3) توسط مجموعه ای از مختصات اتم های اصلی (مستقل از تقارن) ساختار تعیین می شود. چنین پارامترهای ساختاری به طور قابل توجهی کمتر از ماژول ها هستند؛ بنابراین، اتصالات باید بین دومی وجود داشته باشد. تئوری تجزیه و تحلیل ساختاری انواع مختلفی را ایجاد کرده است: نابرابری ها، نابرابری های خطی، محصولات ساختاری و عوامل تعیین کننده اتصال دامنه های ساختاری.

بر اساس موثرترین داده های آماری. اتصالات توسعه یافته [J. Karle (J. Karle) و H. A. Hauptman (N. A. Hauptman)، جایزه نوبل، 1985] به اصطلاح. روش های مستقیم برای تعیین فازهای دامنه های ساختاری. اگر سه دامنه ساختاری بزرگ را در نظر بگیریم که شاخص های آنها با روابط ساده مرتبط هستند. h 1 + h 2 + h 3 = 0، k 1 + k 2 + k 3 = 0، l 1 + l 2 + l 3 = 0، سپس حداکثر مجموع احتمالی فازهای این دامنه ها صفر خواهد بود:

هرچه حاصلضرب ویژه بیشتر باشد، احتمال دستیابی به برابری بیشتر است. تصویری از دامنه های ساختاری نرمال شده موجود در این رابطه. با افزایش تعداد اتم ها ندر سلول واحد کریستال، قابلیت اطمینان رابطه کاهش می یابد. در عمل، آمار بسیار پیچیده تری استفاده می شود. روابط و برآوردهای نسبتاً دقیق از احتمال ارضای این روابط. محاسبات مبتنی بر این روابط بسیار دست و پا گیر هستند، الگوریتم ها پیچیده هستند و فقط بر روی رایانه های مدرن قدرتمند قابل پیاده سازی هستند. کامپیوتر. روش های مستقیم اولین مقادیر تقریبی فازها و فقط حداکثر را ارائه می دهند. قوی در مدول های نرمال شده دامنه های ساختاری.

رویه های خودکار برای انجام تحقیقات ساختاری مهم هستند. شفاف سازی مراحل دامنه های ساختاری. بر اساس مجموعه ای تقریبی از فازهای قوی ترین دامنه های ساختاری و بر اساس آزمایش های مربوطه. ماژول ها، اولین توزیع تقریبی چگالی الکترون در کریستال با استفاده از (2) محاسبه می شود. سپس بر اساس فیزیکی اصلاح شد و کریستالوشیمیایی اطلاعاتی در مورد خواص این توزیع به عنوان مثال، در تمام نقاط فضا ، با توجه به اصلاحات. توزیع با وارونگی فوریه، فازهای تصفیه شده محاسبه شده و همراه با آزمایش. از مقادیر برای ساخت تقریب بعدی و غیره استفاده می شود. پس از بدست آوردن مقادیر کافی از (2)، توزیع سه بعدی چگالی الکترون در کریستال ساخته می شود. این اساساً تصویری از ساختار مورد مطالعه است و دشواری به دست آوردن آن به دلیل عدم وجود لنزهای جمع آوری اشعه ایکس است. تابش - تشعشع.

صحت مدل اتمی حاصل با مقایسه آزمایش ها تأیید می شود. و مدول های دامنه های ساختاری از (3) محاسبه شده است. تعداد مشخصه چنین مقایسه ای عامل واگرایی است

این عامل امکان به دست آوردن بهینه را با آزمون و خطا فراهم می کند. نتایج. برای غیر کریستالی اشیا عملا یکسان هستند. روش تفسیر پراش نقاشی ها

با افزایش تعداد اتم‌ها در سلول واحد یک بلور، تعیین فازهای دامنه‌های ساختاری با روش‌های مستقیم دشوارتر می‌شود. تقارن کاذب و برخی دیگر از ویژگی های ساختار آن نیز امکان روش های مستقیم را محدود می کند.

رویکردی متفاوت برای تعیین ساختار اتمی کریستال ها از اشعه ایکس. انکسار داده ها توسط A.L. Paterson ارائه شده است. مدل اتمی سازه بر اساس تحلیل عملکرد بردارهای بین اتمی ساخته شده است P(u,v,w) (توابع پاترسون)، لبه ها از آزمایشات محاسبه می شوند. ارزش های. معنی این تابع را می توان با استفاده از نمودار هندسه آن توضیح داد. ساخت و ساز. ساختار اتمی حاوی یک سلول واحد ناتم ها را موازی با خودش قرار می دهیم تا اتم اول در مبدا مختصات باشد. اگر وزن اتمی تمام اتم های ساختار را در مقدار وزن اتمی اتم اول ضرب کنیم، وزن اتم اول را به دست می آوریم. نقله های عملکرد بردارهای بین اتمی. این به اصطلاح است تصویر ساختار در اتم اول سپس تصویر ساختاری را که به همین ترتیب در اتم دوم و سپس در اتم سوم و غیره ساخته شده است در مبدا مختصات قرار می دهیم. پس از انجام این روش با همه ناتم های ساختار، دریافت می کنیم N 2قله های تابع پاترسون (شکل 5). از آنجایی که اتم ها نقطه نیستند، تابع حاصل است P(u,v,wحاوی قله های نسبتاً پراکنده و همپوشانی است:

برنج. 5. طرحی برای ساخت تابع بردارهای بین اتمی برای ساختاری متشکل از سه اتم.

[ - عنصر حجم در مجاورت نقطه ( x،y،z)]. تابع بردارهای بین اتمی بر اساس مربع های ماژول های آزمایشی ساخته می شود. دامنه های ساختاری و پیچیدگی توزیع چگالی الکترون با خود است، اما پس از وارونگی در مبدا.

برنج. 6. بائوتیت معدنی Ba 4 Ti 4 (Ti,Nb) 4 O 16 Cl; a تابعی از بردارهای بین اتمی است، طرح ریزی بر روی صفحه ab، خطوطی با سطوح مساوی از مقادیر تابع در فواصل دلخواه مساوی رسم می شوند. ب - طرح ریزی توزیع چگالی الکترون بر روی صفحه ab، که با تفسیر عملکرد بردارهای بین اتمی و اصلاح مدل اتمی به دست می آید، تراکم خطوط با سطوح مساوی با موقعیت اتم ها در ساختار مطابقت دارد. ج - طرح ریزی مدل اتمی سازه بر روی صفحه ab در چند وجهی پاولینگ. اتم های Si در چهار وجهی اتم های اکسیژن، اتم های Ti و Nb در هشت وجهی اتم های اکسیژن قرار دارند. چهار وجهی و هشت وجهی در ساختار بائوتیت همانطور که در شکل نشان داده شده است به هم متصل شده اند. اتم های Ba و Cl به صورت دایره های سیاه و باز نشان داده شده اند. بخشی از سلول واحد کریستال، که در شکل های a و b نشان داده شده است، مطابق شکل مربع است که با خطوط چین برجسته شده است..

دشواری های تفسیر P(u,v,w) با این واقعیت همراه هستند که در میان N 2قله های این تابع، تشخیص قله های یک تصویر از سازه ضروری است. ماکزیمم های تابع پاترسون به طور قابل توجهی همپوشانی دارند که تحلیل آن را پیچیده تر می کند. نایب. زمانی که ساختار مورد مطالعه از یک اتم سنگین و چندین اتم تشکیل شده باشد، تحلیل مورد ساده است. اتم های بسیار سبک تر در این حالت، تصویر ساختار در اتم سنگین به صورت برجسته در پس زمینه سایر قله ها برجسته می شود. P(u،v،w). تعدادی روش سیستماتیک توسعه داده شده است. تجزیه و تحلیل عملکرد بردارهای بین اتمی نایب. موثرترین آنها برهم نهی هستند. روش های زمانی که دو یا چند نسخه P(u,v,w) inموقعیت موازی با افست های مربوطه بر روی یکدیگر قرار می گیرند. در این مورد، پیک هایی که به طور طبیعی در همه کپی ها منطبق هستند، یک یا چند مورد را برجسته می کنند نتصویر اصلی سازه به عنوان یک قاعده، برای اتحادها. علاوه بر این باید از تصاویر سازه نیز استفاده شود. کپی ها P(u،v،w). مشکل به یافتن جابجایی های متقابل ضروری این کپی ها برمی گردد. پس از محلی سازی به برهم نهی. با سنتز توزیع تقریبی اتم ها در یک ساختار، این سنتز را می توان در معرض وارونگی فوریه و غیره قرار داد. این به فرد اجازه می دهد تا فازهای دامنه های ساختاری را به دست آورد. دومی همراه با آزمایش. مقادیر برای ساخت و ساز استفاده می شود. همه رویه های برهم نهی روش ها به صورت خودکار الگوریتم و پیاده سازی می شوند. حالت کامپیوتری در شکل شکل 6 ساختار اتمی کریستال را نشان می دهد که با روش های برهم نهی با استفاده از روش پاترسون ایجاد شده است.

آزمایش ها در حال توسعه هستند. روش‌های تعیین فازهای دامنه‌های ساختاری فیزیک اساس این روش ها اثر رنینگر - اشعه ایکس چند پرتو است. انکسار. در صورت موجود بودن همزمان. اشعه ایکس انکسار بازتاب ها، انتقال انرژی بین آنها وجود دارد که به روابط فاز بین داده های پراش بستگی دارد. به صورت دسته ای کل تصویر تغییرات شدت با زاویه محدود می شود. ثانیه و برای مطالعات ساختاری انبوه این تکنیک کاربردی است. هنوز اهمیت پیدا نکرده است.

در مستقل بخش R. s. آ. مطالعات ساختاری دقیق کریستال ها را برجسته می کند و به دست آوردن داده های پراش ممکن می شود. داده ها نه تنها از مدل ساختار اتمی ترکیبات مورد مطالعه، بلکه از مقادیر نیز بدست می آید. ویژگی های ارتعاشات حرارتی اتم ها، از جمله ناهمسانگردی این ارتعاشات (شکل 7) و انحراف آنها از هارمونیک ها. قانون، و همچنین توزیع فضایی الکترون های ظرفیت در کریستال ها. مورد دوم برای مطالعه ارتباط بین ساختار اتمی و خواص فیزیکی مهم است. خواص کریستال ها برای تحقیقات دقیق، موارد خاصی در حال توسعه است. روش های تجربی اندازه گیری و پردازش پراش داده ها. در این صورت نیاز به حسابداری همزمان است. بازتاب، انحراف از سینماتیک پراش، با در نظر گرفتن دینامیک. اصلاحات در تئوری پراش و سایر اثرات ظریف برهمکنش تابش با ماده. هنگام روشن شدن پارامترهای ساختاری، از روش نام استفاده می شود. مربع، و مهمترین چیز این است که همبستگی بین پارامترهای مشخص شده را در نظر بگیرید.

برنج. 7. بیضوی ارتعاشات حرارتی ناهمسانگرد اتم های رادیکال قوی نیترون پایدار C 13 H 17 N 2 O 2.

ر.س. آ. برای ایجاد ارتباط بین ساختار اتمی و ساختار فیزیکی استفاده می شود. خواص، هادی های فوق یونی، لیزر و نوری غیرخطی. مواد، ابررساناهای با دمای بالا و غیره با استفاده از روش های R.S. آ. نتایج منحصر به فردی در مطالعه مکانیسم‌های انتقال فاز در جامدات و بیول به دست آمد. فعالیت ماکرومولکول ها بنابراین، ناهمسانگردی جذب صوتی. امواج در تک بلورهای پاراتلوریت با ناهماهنگی ارتعاشات حرارتی اتم های Te مرتبط است (شکل 1). 8) . خواص ارتجاعی لیتیوم تترابورات Li 2 B 4 O 7، چشم انداز استفاده از آن را به عنوان یک آشکارساز صوتی باز می کند. امواج با ماهیت ماده شیمیایی تعیین می شوند. ارتباطات در این ارتباط با کمک R.s. آ. آنها توزیع الکترونهای ظرفیت را در کریستال مطالعه می کنند که پیوندهای بین اتمی را در آن ایجاد می کنند. این اتصالات را می توان با استفاده از توزیع کرنش مطالعه کرد. چگالی الکترون، که تفاوت است

جایی که توزیع چگالی الکترون در کریستال است، مجموع چگالی متقارن کروی اتم های آزاد (که در پیوندهای شیمیایی وارد نشده اند) یک ساختار معین است که به ترتیب در نقاطی با مختصات قرار دارند. x i، y i، z i. هنگامی که توسط اشعه ایکس ایجاد می شود. انکسار داده های تغییر شکل حداکثر چگالی الکترون در نظر گرفتن ارتعاشات حرارتی اتم ها و موجودات دشوار است. روشی که با ماهیت و جهت های شیمی مرتبط است. اتصالات بنابراین، تغییر شکل چگالی منعکس کننده توزیع مجدد آن قسمت از چگالی الکترون اتم ها در فضا است که مستقیماً در تشکیل مواد شیمیایی نقش دارد. اتصالات (شکل 9).

برنج. 8. نزدیکترین محیط تلوریم توسط اتمهای O در ساختار (a) و جزء ناهارمونیک توزیع چگالی احتمال یافتن اتم Te در یک نقطه معین از فضا در طی ارتعاشات حرارتی (b). خطوط مثبت (جامد) و منفی (چینی) با سطوح مساوی از 0.02 -3 ترسیم می شوند..

برنج. 9. مقطع سنتز چگالی الکترونی تغییر شکل کریستال Li 2 B 4 O 7 توسط صفحه ای که از اتم های O گروه مثلثی BO 3 می گذرد که در مرکز آن یک اتم B وجود دارد. حداکثر در بخش های BO نشان دهنده ماهیت کووالانسی پیوند بین این اتم ها است. خطوط بریده بر مناطقی که چگالی الکترون از آنها به پیوندهای شیمیایی منتقل شده است را برجسته می کند. خطوط مساوی از طریق 0.2 ترسیم می شوند .

برنج. 10. آرایش مرتب اتم های Sr بر اساس موقعیت های لانتانیم در ساختار اتم های مس

مطالعات ساختاری ابررساناهای با دمای بالا، امکان تعیین ساختار اتمی و ارتباط آن با خواص فیزیکی آنها را فراهم کرده است. خواص نشان داده شد که در تک بلورها دمای انتقال به حالت ابررسانا تی اسنه تنها به مقدار Sr، بلکه به روش تجزیه و تحلیل آماری آن نیز بستگی دارد. تعیین سطح. توزیع یکنواخت اتم های Sr در ساختار برای خواص ابررسانایی بهینه است. غلظت Sr در دف. لایه های سازه (شکل 10) منجر به از دست دادن مقداری اکسیژن در این لایه ها و کاهش می شود. تی اس. برای کریستال ها روش های R.s. آ. ترتیب در آرایش اتم های O ایجاد شده است.در یک کریستال، حضور نواحی تقارن متعامد با ترکیب محلی مشخص شده است. با T s ~ 90 K و نواحی در [CuO6]-octahedra هستند. نقص اکسیژن با عدم وجود یک راس اکسیژن در یکی از چند وجهی مس نشان داده می شود. موقعیت هایی که کاملاً توسط اتم های La اشغال شده اند به صورت دایره های سیاه نشان داده می شوند. دایره های باز موقعیت های لانتانیوم هستند که در آنها تمام اتم های Sr متمرکز و توزیع آماری شده اند.

با T s ~ 60 K. در بلورهایی با مقدار اکسیژن کمتر از 6.5 اتم در واحد سلول، همراه با مناطق لوزی شکل. تقارن ترکیب محلی، مناطقی از تقارن چهارضلعی ترکیب محلی ظاهر می شود که به حالت ابررسانا تبدیل نمی شوند.

برنج. 11. مدل اتمی مولکول ریبونوکلئاز C 2 مخصوص گوانیل، ساخته شده بر اساس مطالعات پراش اشعه ایکس تک بلورهای این پروتئین با وضوح 1.55

برای حل جمع مسائل فیزیک حالت جامد، شیمی، زیست شناسی مولکولی و غیره، استفاده مشترک از روش های آنالیز ساختاری اشعه ایکس و رزونانس (EPR، NMR و غیره) بسیار موثر است. هنگام مطالعه ساختار اتمی پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، ویروس ها و سایر اشیاء زیست شناسی مولکولی، مشکلات خاصی ایجاد می شود. مشکلات ماکرومولکول ها یا. بیول بزرگتر اجسام باید ابتدا به صورت تک کریستالی بدست آیند. فرم، پس از آن می توان از تمام روش های R.s برای مطالعه آنها استفاده کرد. الف، برای مطالعه کریستالی توسعه یافته است. مواد مشکل فازهای دامنه های ساختاری برای کریستال های پروتئینی با روش جانشینی ایزومورف حل می شود. همراه با تک بلورهای پروتئین بومی مورد مطالعه، تک بلورهایی از مشتقات آن با افزودنی های اتم سنگین که هم شکل با کریستال های پروتئین مورد مطالعه هستند به دست می آید. تفاوت توابع پاترسون برای مشتقات و پروتئین های بومی این امکان را فراهم می کند که موقعیت اتم های سنگین را در سلول واحد یک کریستال محلی سازی کنیم. مختصات این اتم ها و مجموعه مدول های دامنه های ساختاری پروتئین و مشتقات اتمی سنگین آن در کاربردهای خاص استفاده می شود. الگوریتم‌هایی برای تخمین فازهای دامنه‌های ساختاری. در کریستالوگرافی پروتئین از روش های گام به گام برای تعیین ساختار اتمی ماکرومولکول ها به ترتیب استفاده می شود. انتقال از وضوح کم به بالاتر (شکل 11). توسعه یافته و خاص روش های پالایش ساختار اتمی درشت مولکول ها با استفاده از اشعه ایکس انکسار داده ها. حجم محاسبات به قدری زیاد است که می توان آنها را به طور مؤثر فقط در قوی ترین رایانه ها پیاده سازی کرد.

سوالات R.s. الف، مرتبط با مطالعه ساختار واقعی یک جسم جامد توسط پراش. داده ها، مورد بحث در هنر. رادیوگرافی مواد.

روشن: Belov N.V., Structural Crystallography, M., 1951; B about k and y G. B., Porai-Koshits M. A., X-ray structural analysis, 2nd ed., vol. 1, M., 1964; لیپسون جی.، کوکرن وی.، تعیین ساختار بلوری، ترانس. از انگلیسی، M., 1956; برگر ام، ساختار کریستالی و فضای برداری، ترانس. از انگلیسی، M., 1961; Gin e A.، پراش اشعه ایکس کریستال ها. تئوری و عمل، ترجمه. از فرانسوی، م.، 1961; Stout G، N.، J e n s e n L. N.، تعیین ساختار اشعه ایکس، N. Y.-L.، 1968; X e i k e r D. M.، پراش اشعه ایکس تک بلورها، L.، 1973; بلوندل تی، جانسون ال.، کریستالوگرافی پروتئین، ترجمه. از انگلیسی، م.، 1979; Vainshtein B.K.، تقارن بلورها. Methods of structural crystalography, M., 1979; چگالی الکترون و مغناطیسی در مولکول ها و کریستال ها، ویرایش. توسط P. Becker, N.Y.-L., 1980; کریستالوگرافی و شیمی کریستال، م.، 1986; ساختار و خواص فیزیکی کریستال ها، بارسلون، 1991. V. I. سیمونوف.

سه روش عمدتاً در تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس استفاده می شود:
1. روش Laue. در این روش پرتویی از تابش با طیف پیوسته به یک بلور ثابت برخورد می کند. الگوی پراش بر روی فیلم عکاسی ثابت ثبت می شود.
2. روش چرخش تک کریستالی. پرتویی از تابش تک رنگ بر روی یک کریستال در حال چرخش (یا نوسان) حول یک جهت کریستالوگرافی معین برخورد می کند. الگوی پراش بر روی فیلم عکاسی ثابت ثبت می شود. در برخی موارد، فیلم عکاسی همزمان با چرخش کریستال حرکت می کند. به این نوع روش چرخش، روش جابجایی خط لایه می گویند.
3. روش پودرها یا پلی کریستال ها (روش Debye-Scherrer-Hull). در این روش از پرتو تک رنگ پرتوها استفاده می شود. نمونه از یک پودر کریستالی یا یک سنگدانه پلی کریستالی تشکیل شده است.

روش Kossel نیز مورد استفاده قرار می گیرد - یک تک کریستال ثابت در یک پرتو کاملاً واگرا از تابش مشخصه تک رنگ حذف می شود.

روش Laue.

روش Laue در مرحله اول مطالعه ساختار اتمی کریستال ها استفاده می شود. با کمک آن، همگامی کریستال و کلاس Laue (کلاس کریستال فریدل دقیق به مرکز وارونگی) تعیین می شود. طبق قانون فریدل هرگز نمی توان عدم وجود یک مرکز تقارن را در Lauegram تشخیص داد و بنابراین با افزودن مرکز تقارن به 32 کلاس بلوری تعداد آنها به 11 کاهش می یابد. روش Laue عمدتاً برای مطالعه منفرد استفاده می شود. کریستال ها یا نمونه های کریستالی بزرگ. در روش Laue، یک تک کریستال ثابت توسط پرتوی موازی از پرتوها با طیف پیوسته روشن می شود. نمونه می تواند یک کریستال جدا شده یا یک دانه نسبتاً بزرگ در یک سنگدانه پلی کریستالی باشد. تشکیل الگوی پراش زمانی اتفاق می افتد که تابش با طول موج هایی از lmin = l 0 = 12.4/U پراکنده شود، جایی که U ولتاژ روی لوله اشعه ایکس است، تا lm - طول موجی که شدت انعکاس (پراش) را می دهد. حداکثر) بیش از حداقل 5٪ از پس زمینه. lm نه تنها به شدت پرتو اولیه (عدد اتمی آند، ولتاژ و جریان عبوری از لوله)، بلکه به جذب اشعه ایکس در نمونه و کاست فیلم نیز بستگی دارد. طیف lmin-lm مربوط به مجموعه ای از کره های Ewald با شعاع 1/lm تا 1/lmin است که گره 000 و OR کریستال مورد مطالعه را لمس می کند (شکل 1).

سپس، برای تمام گره‌های OR که بین این کره‌ها قرار دارند، شرط Laue برآورده می‌شود (برای طول موج مشخصی در بازه (l m¸ l دقیقه)) و در نتیجه، حداکثر پراش ظاهر می‌شود - بازتابی روی فیلم. برای عکاسی با روش Laue از دوربین RKSO استفاده می شود (شکل 2).

در اینجا، پرتو اشعه ایکس اولیه توسط دیافراگم 1 با دو سوراخ با قطر 0.5 - 1.0 میلی متر بریده می شود. اندازه سوراخ های دیافراگم به گونه ای انتخاب می شود که سطح مقطع تیر اولیه بزرگتر از سطح مقطع کریستال مورد مطالعه باشد. کریستال 2 بر روی یک سر گونیومتریک 3، متشکل از سیستمی متشکل از دو قوس عمود بر یکدیگر نصب شده است. نگهدارنده کریستال روی این سر می تواند نسبت به این کمان ها حرکت کند و خود سر گونیومتریک را می توان به هر زاویه ای حول محور عمود بر پرتو اولیه چرخاند. سر گونیومتری به شما امکان می دهد جهت کریستال را نسبت به پرتو اولیه تغییر دهید و جهت کریستالوگرافی مشخصی از کریستال را در امتداد این پرتو تنظیم کنید. الگوی پراش بر روی فیلم عکاسی 4 که در یک نوار کاست، صفحه آن عمود بر پرتو اولیه است، ثبت می شود. یک سیم نازک روی نوار کاست جلوی فیلم کشیده شده است که به موازات محور سر گونیومتریک قرار دارد. سایه این سیم امکان تعیین جهت فیلم عکاسی را نسبت به محور سر گونیومتریک فراهم می کند. اگر نمونه 2 در مقابل فیلم 4 قرار گیرد، الگوهای اشعه ایکس به دست آمده از این طریق Lauegrams نامیده می شوند. الگوی پراش ثبت شده روی فیلم عکاسی واقع در جلوی کریستال، اپیگرام نامیده می شود. در Lauegrams، نقاط پراش در امتداد منحنی های ناحیه ای (بیضی، سهمی، هذلولی، خطوط مستقیم) قرار دارند. این منحنی ها بخش های صفحه ای از مخروط های پراش هستند و نقطه اولیه را لمس می کنند. در اپیگرام ها، نقاط پراش در امتداد هذلولی هایی قرار دارند که از پرتو اولیه عبور نمی کنند. برای در نظر گرفتن ویژگی های الگوی پراش در روش Laue، از یک تفسیر هندسی با استفاده از توری متقابل استفاده می شود. Lauegrams و Epigrams بازتابی از شبکه متقابل یک کریستال هستند. برجستگی گنومونیک ساخته شده از Lauegram به ما امکان می دهد موقعیت نسبی در فضا را نسبت به صفحات بازتابنده قضاوت کنیم و ایده ای از تقارن شبکه متقابل کریستال بدست آوریم. شکل لکه های Lauegram برای قضاوت در مورد درجه کمال کریستال استفاده می شود. یک کریستال خوب لکه های شفافی را روی Lauegram ایجاد می کند. تقارن کریستال ها مطابق Lauegram با موقعیت نسبی لکه ها تعیین می شود (آرایش متقارن صفحات اتمی باید با آرایش متقارن پرتوهای بازتاب شده مطابقت داشته باشد).

شکل 2

شکل 3

روش چرخش تک کریستالی

روش چرخش در تعیین ساختار اتمی کریستال ها اساسی است. این روش اندازه سلول واحد، تعداد اتم ها یا مولکول های هر سلول را تعیین می کند. بر اساس انقراض بازتاب ها، گروه فضایی (تا مرکز وارونگی) پیدا می شود. داده های مربوط به اندازه گیری شدت حداکثر پراش در محاسبات مربوط به تعیین ساختار اتمی استفاده می شود.

هنگام گرفتن الگوهای پرتو ایکس با استفاده از روش چرخش، کریستال در هنگام تابش پرتوهای تک رنگ یا مشخصه اشعه ایکس در اطراف یک جهت کریستالوگرافی خاص می چرخد ​​یا نوسان می کند. نمودار دوربین برای عکسبرداری با استفاده از روش چرخش در شکل 1 نشان داده شده است.

پرتو اولیه توسط دیافراگم 2 (با دو سوراخ گرد) بریده می شود و روی کریستال 1 می افتد. کریستال روی سر گونیا 3 نصب می شود تا یکی از جهات مهم آن (مانند [010]) در امتداد محور چرخش قرار گیرد. از سر گونیومتریک سر گونیومتریک سیستمی از دو قوس عمود بر یکدیگر است که به شما امکان می دهد کریستال را در زاویه دلخواه نسبت به محور چرخش و پرتو اشعه ایکس اولیه نصب کنید. سر گونیومتریک از طریق یک سیستم چرخ دنده با استفاده از موتور 4 به چرخش آهسته هدایت می شود. الگوی پراش بر روی فیلم عکاسی 5 واقع در امتداد محور سطح استوانه ای یک کاست با قطر معین (86.6 یا 57.3 میلی متر) ثبت می شود. در صورت عدم وجود برش خارجی، جهت گیری کریستال ها با روش Laue انجام می شود. برای این منظور امکان نصب کاست با فیلم تخت در محفظه چرخش وجود دارد.

ماکزیمم پراش در یک الگوی چرخشی پرتو ایکس در امتداد خطوط مستقیم به نام خطوط لایه قرار دارد.

حداکثر در الگوی پراش اشعه ایکس به طور متقارن نسبت به خط عمودی عبوری از نقطه اولیه قرار دارد (خط نقطه چین در شکل 2). الگوهای چرخشی اشعه ایکس اغلب نوارهای پیوسته ای را نشان می دهند که از حداکثر پراش عبور می کنند. ظهور این باندها به دلیل وجود یک طیف پیوسته در تابش تیوب اشعه ایکس همراه با طیف مشخصه است. هنگامی که یک کریستال به دور جهت کریستالوگرافی اصلی (یا مهم) می چرخد، شبکه متقابل مرتبط با آن می چرخد. هنگامی که گره های شبکه متقابل کره انتشار را قطع می کنند، پرتوهای پراش ظاهر می شوند که در امتداد ژنراتیک مخروط ها قرار دارند که محورهای آن با محور چرخش کریستال منطبق است. تمام گره های شبکه متقابل که توسط کره انتشار در طول چرخش آن قطع شده اند، منطقه موثر را تشکیل می دهند، یعنی. ناحیه شاخص های حداکثر پراش ناشی از یک کریستال معین در طول چرخش آن را تعیین کنید. برای ایجاد ساختار اتمی یک ماده، لازم است الگوهای چرخشی اشعه ایکس نشان داده شود. نمایه سازی معمولاً به صورت گرافیکی با استفاده از نمایش های شبکه متقابل انجام می شود. از روش چرخش برای تعیین دوره های شبکه کریستال استفاده می شود که همراه با زوایای تعیین شده توسط روش Laue، یافتن حجم سلول واحد را ممکن می سازد. با استفاده از داده‌های مربوط به چگالی، ترکیب شیمیایی و حجم سلول واحد، تعداد اتم‌های سلول واحد پیدا می‌شود.

عکس. 1

شکل 2

روش پودرها (پلی کریستال).

از روش پودر برای به دست آوردن الگوی پراش از مواد پلی کریستالی به صورت پودر یا نمونه عظیم (پلی کریستال) با سطح صاف صیقلی استفاده می شود. هنگامی که نمونه ها با تابش پرتو ایکس تک رنگ یا مشخصه روشن می شوند، یک اثر تداخل مشخص به شکل سیستمی از مخروط های کواکسیال Debye رخ می دهد که محور آن پرتو اولیه است (شکل 1).
شرایط پراش برای بلورهایی که در آنها صفحات (hkl) زاویه q را با تابش فرودی تشکیل می دهند، برآورده می شود. خطوط تقاطع مخروط های دبای با فیلم حلقه های دبای نامیده می شوند. برای ثبت الگوی تداخل در روش پودر، از چند روش برای قرار دادن فیلم نسبت به نمونه و پرتو اولیه اشعه ایکس استفاده می شود: عکسبرداری بر روی فیلم تخت، استوانه ای و مخروطی. ثبت نام با استفاده از متر نیز قابل انجام است. برای این منظور از پراش سنج استفاده می شود.

در روش عکاسی ثبت الگوی تداخل، از چندین نوع فیلمبرداری استفاده می شود:

1.
فیلم عکاسی تخت دو روش برای موقعیت یابی فیلم استفاده می شود: عکسبرداری از جلو و عقب (عقب). هنگام عکسبرداری از جلو، نمونه در مقابل فیلم نسبت به جهت پرتو اولیه پرتوها قرار می گیرد. یک سری دایره های متحدالمرکز بر روی فیلم عکاسی ثبت شده است که مربوط به تقاطع مخروط های تداخل با زاویه باز q با صفحه فیلم عکاسی است.< 3 0 0 . Измерив диаметр колец, зарегистрированных на пленке, можно определить угол q для соответствующих интерференционных конусов. Недостатком такого способа съемки является то, что на фотопленке регистрируется только небольшое число дифракционных колец. Поэтому переднюю съемку на плоскую пленку применяют в основном для исследования текстур, при котором необходимо определить распределение интенсивности по полному дифракционному кольцу. При задней съемке образец располагается по отношению к пучку рентгеновских лучей сзади пленки. На пленке регистрируются максимумы, отвечающие углу q >3 0 0 . از عکاسی معکوس برای تعیین دقیق دوره ها و اندازه گیری تنش های داخلی استفاده می شود.

2.فیلم عکاسی استوانه ای.

محور استوانه ای که فیلم عکاسی در امتداد آن قرار دارد بر پرتو اولیه عمود است (شکل 2).

زاویه q از اندازه گیری فواصل بین خطوط 2 لیتر مربوط به همان مخروط تداخل محاسبه می شود، با توجه به روابط:

2 l = 4 q R; q = (l/ 2R) (180 0 / p)،

که در آن R شعاع کاست استوانه ای است که فیلم عکاسی در امتداد آن قرار گرفته است. در یک دوربین استوانه ای، فیلم عکاسی را می توان به روش های مختلفی قرار داد - روش های متقارن و نامتقارن بارگذاری فیلم. با روش شارژ متقارن، انتهای فیلم در نزدیکی دیافراگم قرار می گیرد که از طریق آن پرتوی از پرتوهای اولیه وارد دوربین می شود. برای اینکه این پرتو از محفظه خارج شود، یک سوراخ در فیلم ایجاد می شود. عیب این روش شارژ این است که در حین پردازش عکس، طول فیلم کوتاه می شود، در نتیجه هنگام محاسبه یک تصویر اشعه ایکس، نباید از مقدار شعاع R که فیلم در طول تصویربرداری قرار گرفته است استفاده کرد، بلکه مقدار معین Reff. Reff. با شلیک یک ماده مرجع با ثابت های شبکه شناخته شده تعیین می شود. بر اساس دوره شبکه شناخته شده استاندارد، زوایای بازتاب q calc به صورت تئوری تعیین می شود. از مقادیر آن، در ترکیب با فواصل بین خطوط متقارن اندازه گیری شده از عکس اشعه ایکس، مقدار Reff تعیین می شود.

با روش نامتقارن شارژ فیلم، انتهای فیلم با زاویه 90 0 نسبت به پرتو اولیه قرار می گیرد (دو سوراخ در فیلم عکاسی برای ورود و خروج پرتو پرتو اولیه ایجاد می شود). در این روش Reff. بدون تیراندازی استاندارد تعیین می شود. برای انجام این کار، فاصله A و B بین خطوط متقارن در رادیوگرافی اندازه گیری می شود (شکل 3):

Reff. = (A+B)/ 2p ;

نمای کلی دوربین Debye برای گرفتن Debyegrams در شکل 4 نشان داده شده است.

بدنه استوانه ای دوربین بر روی پایه 3 مجهز به سه پیچ نصب شده است. محور سیلندر افقی است. نمونه (ستون نازک) در نگهدارنده 1 قرار می گیرد که با آهنربا در محفظه ثابت می شود. مرکز کردن نمونه هنگام نصب آن در نگهدارنده در میدان دید یک میکروسکوپ نصب ویژه با بزرگنمایی کم انجام می شود. فیلم عکاسی بر روی سطح داخلی بدن قرار می گیرد و با حلقه های فاصله دهنده مخصوصی که در قسمت داخلی درپوش محفظه ثابت شده اند فشار داده می شود. روی فیلم پشت نمونه، تصویر اشعه ایکس را می پوشاند، در مسیر فیلم توسط یک تله رهگیری می شود. برای از بین بردن خمیدگی حلقه ها در الگوی پراش اشعه ایکس یک نمونه کریستالی درشت، هنگام عکسبرداری چرخانده می شود. کولیماتور در برخی دوربین ها به گونه ای ساخته شده است که با قرار دادن دایره های سربی یا برنجی (صفحه نمایش) دارای سوراخ در شیارهای مخصوص جلو و پشت آن می توان پرتوی از پرتوها را با مقطع گرد یا مستطیلی (دایره ای) قطع کرد. و دیافراگم های شکاف). ابعاد سوراخ های دیافراگم باید به گونه ای انتخاب شود که پرتو اشعه نمونه را شستشو دهد. به طور معمول، دوربین ها طوری ساخته می شوند که قطر فیلم در آن مضربی از 57.3 میلی متر (یعنی 57.3؛ 86.0؛ 114.6 میلی متر) باشد. سپس فرمول محاسبه برای تعیین زاویه q، درجه، ساده شده است. به عنوان مثال، برای یک محفظه استاندارد Debye با قطر 57.3 میلی متر q i = 2l/2. قبل از حرکت به تعیین فواصل بین سطحی با استفاده از فرمول Wulff-Bragg:

2 d sin q = n l

باید در نظر داشت که موقعیت خطوط روی الگوی پراش اشعه ایکس از ستون بسته به شعاع نمونه تا حدودی متفاوت است. واقعیت این است که به دلیل جذب اشعه ایکس، یک لایه سطحی نازک از نمونه، و نه مرکز آن، در تشکیل الگوی پراش شرکت می کند. این منجر به جابجایی جفت خطوط متقارن با مقدار:

D r = r cos 2 q، که r شعاع نمونه است.

سپس: 2 l i = 2 l meas. ± D 2l - D r.

تصحیح D 2l، همراه با تغییر در فاصله بین یک جفت خط به دلیل انقباض فیلم در طول پردازش عکس، در کتاب های مرجع و کتابچه های راهنمای تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس جدول بندی شده است. طبق فرمول q i = 57.3 (l/ 2 R eff.). پس از تعیین q i، sinq i یافت می شود و از آنها، برای خطوط به دست آمده در تابش Ka - فاصله بین صفحه مشخص می شود:

(d/n) i = l K a / 2 sin q i K a .

برای جدا کردن خطوط به دست آمده توسط پراش از همان صفحات تابش l Kb ، از تابش مشخصه فیلتر شده استفاده می شود یا محاسبه ای به این روش انجام می شود. زیرا:

d/n = l K a / 2 sin q a = l K b /2 sin q b ;

sin q a / sin q b = l K a / l K b » 1.09، از آنجا sinq a = 1.09 sinq b.

در سری sinq، مقادیر مربوط به شدیدترین بازتاب ها یافت می شود. بعد خطی است که به نظر می رسد sinq برابر با مقدار محاسبه شده است و شدت آن 5-7 برابر کمتر است. این بدان معنی است که این دو خط به ترتیب به دلیل بازتاب پرتوهای Ka و Kb از صفحات با فاصله یکسان d/n به وجود آمده اند.

تعیین دوره های شبکه های کریستالی با برخی خطاها همراه است که با اندازه گیری های نادرست زاویه وولف-براگ q همراه است. دقت بالا در تعیین دوره ها (خطای 0.01-0.001٪) را می توان با استفاده از روش های خاص ثبت و پردازش نتایج اندازه گیری تصاویر اشعه ایکس، به اصطلاح روش های دقیق به دست آورد. دستیابی به حداکثر دقت در تعیین دوره های شبکه با استفاده از روش های زیر امکان پذیر است:

1. با استفاده از مقادیر فواصل بین سطحی تعیین شده از زوایای منطقه دقیق.

2. کاهش خطا در نتیجه استفاده از تکنیک های آزمایشی دقیق.

3. استفاده از روش های برون یابی گرافیکی یا تحلیلی.

حداقل خطای D d/d هنگام اندازه گیری در زوایای q = 80¸ 83 0 به دست می آید. متأسفانه، همه مواد خطوطی با چنین زوایای بزرگی را در یک اشعه ایکس ایجاد نمی کنند. در این حالت باید از خطی در بزرگترین زاویه ممکن q برای اندازه گیری استفاده کرد. افزایش دقت در تعیین پارامترهای سلول نیز با کاهش خطاهای تصادفی همراه است که تنها با میانگین گیری و با در نظر گرفتن خطاهای سیستماتیک قابل در نظر گرفتن است که در صورت مشخص بودن دلایل وقوع آنها می توان آنها را در نظر گرفت. . در نظر گرفتن خطاهای سیستماتیک هنگام تعیین پارامترهای شبکه به یافتن وابستگی خطاهای سیستماتیک به زاویه براگ q منجر می شود، که امکان برون یابی به زوایای q = 90 0 را فراهم می کند، که در آن خطا در تعیین فواصل بین صفحه ای کوچک می شود. خطاهای تصادفی عبارتند از: