Указанные выше три типа излучения применяют для получения различной, хотя и перекрывающейся информации относительно структуры твердых тел. Взаимодействие всех трех типов излучения с периодической решеткой подчиняется одним и тем же общим геометрическим законам, которые мы обсудим в следующем разделе. Рентгеновское излучение с энергией фотонов 10—100 кэВ способно проникать глубоко внутрь кристалла, и поэтому его широко применяют в большом числе методов анализа неизвестных трехмерных структур. Однако, поскольку рентгеновские лучи рассеиваются главным образом электронами атомных оболочек, их использование для определения положений очень легких атомов типа водорода не приводит к столь же хорошим результатам, как для тяжелых элементов, причем протонный состав вещества не оказывает влияния на результаты таких исследований. В рентгеновской кристаллографии нас интересует рассеяние на каждом электроне, движущемся в фазе с падающей электромагнитной волной и излучающем когерентно 78 Гл. 1. Кристаллическая структура и форма твердых тел Рис. 1.39. Дифракционные картины рассеяния электронов на тонких пленках, напыленных на сколотую (001) поверхность монокристалла NaCl. а — рассеяние на мелкозернистом поликристаллическом Pd с г. ц. к.-решеткой; преимущественная ориентация зерен отсутствует, видны равномерено освещенные дифракционные кольца; б — рассеяние на ванадии с о. ц. к.-решеткой, напыленном на нагретую подложку; структура имеет в основном вид монокристаллической эпитаксиальной пленки с ориентацией (001), о чем свидетельствует наличие отдельных дифракционных пятен; дифракционные кольца обусловлены наличием поликристаллических областей со случайной ориентацией. (Фото любезно предоставлено Л. Е. Марром из Орегонского учебного центра). без изменения длины волны27. Интерференция когерентно рассеянного излучения с усилением или ослаблением определяется геометрией атомных конфигураций в кристалле. Наблюдение дифракции электронов на монокристаллах (Де- виссон и Джермер, 1927) или кристаллических пленках (Томпсон, 1927) убедительно подтверждает как наличие периодической структуры у кристаллов, так и корпускулярно-волновые свойства электрона (рис. 1.39). Поскольку электрон является заряженной частицей, он испытывает сильное взаимодействие с веществом и, прежде чем подвергнется упругому или неупругому столкновению, успевает проникнуть в кристалл лишь на 27 Рассеяние электроном электромагнитной волны без изменения частоты (т. е. без изменения энергии) впервые было описано Дж. Дж. Томсоном и называется иногда томсоновским рассеянием. Существует также неупругое рассеяние — эффект Комптона,— конкурирующее с интересующим нас когерентным рассеянием. Неупругое рассеяние приводит к образованию фона иекогерентных фотонов с любыми углами рассеяния и энергиями, случайным образом смещенными в область более низких значений. Отделение этого фона от фотонов с начальной энергией, когерентно рассеянных под брэгговскими углами, представляет собой одну из главных проблем в структурном анализе. 1.4. Дифракция в кристаллах 79 несколько сотен ангстрем. Таким образом, для изучения структур большого объема метод дифракции электронов не может конкурировать с рентгеновскими методами. Однако его можно с успехом использовать в следующих двух случаях: 1) при изучении поверхностных слоев и состояния поверхности кристаллов; характер перехода от идеальной периодической решетки к незаполненному пространству вне кристалла зависит как от способа обработки поверхности, так и от степени ее чистоты; 2) при изучении тонких пленок; достаточно тонкую пленку можно рассматривать как два поверхностных слоя, пренебрегая объемом между ними; дифракция электронов оказалась весьма полезной для выявления отличий структурных свойств тонких слоев вещества от свойств «идеального» монокристалла. Медленные нейтроны, у которых длина волны де Бройля сравнима с межатомными расстояниями, могут взаимодействовать с твердыми телами несколькими способами. В немагнитных кристаллах они взаимодействуют только с ядрами (поскольку нейтрон не имеет заряда, а масса его намного больше, чем у электронов атомных оболочек). Если происходящее при этом рассеяние упругое и когерентное, то оно подчиняется тем же геометрическим законам, что и рассеяние рентгеновских лучей и электронов. Дифракционные картины для нейтронов и рентгеновских лучей одинаковы, за исключением лишь того, что нейтроны более эффективно рассеиваются на легких атомах. В присутствии нескольких изотопов данного элемента, случайно распределенных по всем воможным положениям атомов, помимо когерентного рассеяния, может также происходить упругое, но некогерентное рассеяние нейтронов. Однако по сравнению с этим больший интерес представляет процесс неупругого рассеяния нейтронов, обусловленный нарушением строгой периодичности расположения ядер. В гл. 2 мы вернемся к обсуждению неупругого рассеяния нейтронов, поскольку оно лежит в основе весьма важного метода исследования спектра колебаний решетки кристалла. Нейтрон может либо поглотить, либо испустить фонон28, так что его энергия и направление 28 По аналогии с названием фотон для кванта электромагнитного излучения, названия квантов различных элементарных возбуждений в кристалле также оканчиваются на «он». Фонон — квант колебаний решетки, т. е. периодического смещения атомов относительно положения равновесия, которому можно приписать энергию, импульс, а также скорость, длину волны и волновой вектор. Магнон — магнитная спиновая волна, т. е. возбуждение в ферромагнитных кристаллах спинов, строго параллельных друг другу в основном состоянии. Плазмон — коллективное возбуждение электронного газа, т. е. когерентные колебания всех электронов, обусловленные дальнодействую- щим характером кулоновских сил. 80 Гл. 1. Кристаллическая структура и форма твердых тел движения в соответствии с законами сохранения энергии и импульса изменяются. Энергия нейтрона с длиной волны, необходимой для дифракции на кристалле, сравнима с энергией фо- нонов в твердых телах. Таким образом, изменения энергии и направления движения нейтрона после неупругого соударения значительны и легко измеряются. Наличие у нейтрона магнитного момента приводит к дополнительному усложнению характера дифракции нейтронов в магнетиках. Сечение взаимодействия нейтронов с магнитоупоря- доченными электронами в магнетиках сравнимо с сечением взаимодействия нейтронов с ядрами. Таким образом, упругое рассеяние нейтронов может служить источником информации о распределении магнитных моментов.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Использование трех типов излучения» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
