Экспериментальные методы рентгенографического исследования структуры кристаллов
Читателя, интересующегося подробным описанием экспериментальных методов исследования структуры кристаллов с помощью дифракции рентгеновских лучей и нейтронов, мы отсылаем к литературе, указанной в конце данной главы. В настоящее время разработано более десятка методов для изучения структурных особенностей твердых тел с помощью рентгеновской дифракции, причем большинство из них применимо также и в нейтронной дифракции, хотя используемое при этом экспериментальное оборудование будет совсем другим. Следует заметить, что из рентгенографических методов, которые кратко упоминаются в этом разделе, в нейтронографии почти совсем не используется метод Лауэ, в то время как широко применяются метод вращения кристалла и метод порошка, в которых используются коллимированные пучки монохроматических нейтронов. В следующих разделах мы рассмотрим экспериментальные методы, связанные с применением рентгеновских лучей. При рассмотрении брэгговской дифракции пучка рентгеновских лучей на монокристалле следует заметить, что для получения интерференции с усилением и эффективного отражения в соответствии с условием (1.33) необходимо иметь определенную комбинацию величин d, 0 и X. Поэтому монохроматические рентгеновские лучи, падающие на кристалл под произвольным углом, обычно почти не отражаются. Нужно либо использовать рентгеновские лучи в большом диапазоне длин волн при фиксированном угле падения (метод Лауэ), либо иметь возможность менять угол, под которым монохроматические лучи входят в кристалл. Последнее условие выполняется автоматически при вращениях или колебаниях кристалла, а также в методе Вейзенберга. В методе Дебая — Шеррера используется порошкообразный образец, так что любой из углов падения может оказаться подходящим для некоторых кристаллитов. Метод Лауэ весьма прост как с точки зрения осуществления его принципа, тар и его экспериментального осуществления. 88 Гл. 1. Кристаллическая структура и форма твердых тел Рис. 1.42. Плоская камера Лауэ, использующая немонохроматическое рентгеновское излучение. Фотографии пятен Лауэ можно получать для рассеяния как вперед, так и назад. Образец может поворачиваться вокруг трех ортогональных осей; повторная фотосъемка производится для того, чтобы проверить правильность установленной ориентации. / — источник рентгеновского излучения; 2 — образец; 3 — положение фотопластинки при прямой фотосъемке; 4 — гониометрическое устройство; 5 — положение фотопластинки при обратной фотосъемке; 6 — коллиматор. Узкий пучок рентгеновских лучей падает на монокристалл так, как показано на рис. 1.42. Рентгеновское излучение в этом пучке обладает широким диапазоном длин волн, и для любой длины волны, удовлетворяющей условию Брэгга, возникает дифракционный рефлекс. На рисунке показаны два положения фотопластинки для регистрации набора дифракционных «пятен», распределение которых характеризует структуру и ориентацию кристалла. В случае когда структура кристалла заранее неизвестна, набор дифракционных пятен может с трудом поддаваться расшифровке, поскольку при отражении от одной и той же серии плоскостей в одну и ту же точку фотопластинки могут отразиться несколько волн разной длины, которым соответствуют различные порядки дифракционных максимумов. Поэтому метод Лауэ редко используется для исследования новых структур. Он находит применение главным образом для определения ориентации кристалла известной структуры. На рис. 1.42 показана схема закрепления исследуемого образца в трехосном гониометре. По известному распределению пятен (рис. 1.38), полученному после некоторой грубой предварительной установки кристалла, можно определить, на какой точно угол нужно повернуть кристалл, чтобы главная его плоскость идеально совпала с осью камеры Лауэ. Само название метода вращения кристалла означает, что в нем угол падения 9 изменяется во времени, в то время как 1.4. Дифракция в кристаллах 89 Рис. 1.43. Схема установки, в которой применяется метод вращения кристалла. В этом методе используется монохроматическое рентгеновское излучение, которое получается за счет брэгговских отражений на кристалле-мо- нохроматоре. При вращении образца внутри камеры в ту или другую сторону на фотопленке, свернутой в цилиндр, ось которого совпадает с осью вращения кристалла, регистрируется серия дифракционных изображений. / — рентгеновский источник; 2 — коллиматоры; 3 — кристаллический образец; 4 — к фотопластинке или счетчику; 5 — кристалл-монохроматор; 6 — неотклоненный пучок (нежелательные длины волн). рентгеновские лучи (или нейтроны) являются монохроматическими. На рис. 1.43 изображены существенные компоненты соответствующей экспериментальной установки. Из непрерывного спектра рентгеновских лучей нетрудно выделить монохроматическое излучение (обычно это линия Ка материала, из которого сделан катод рентгеновской трубки), причем в качестве монохроматора можно использовать любой подходящий монокристалл. При повороте исследуемого образца в ту или другую сторону всякий раз, когда выполняется условие Брэгга, на фотопленке, свернутой в цилиндр, коаксиальный с осью вращения кристалла, регистрируется распределение дифракционных пятен. Угол отклонения этих пятен относительно направления падающего пучка в плоскости, перпендикулярной оси цилиндра, равен 20, и, разумеется, большинство пятен также смещено в направлении оси цилиндра. К методам, основанным на принципе вращения кристалла и предназначенным для получения большей информации о его элементах симметрии, относятся также метод качания (метод осциллирующего кристалла), метод Вейсенберга и метод прецессии. Подробно все эти методы описаны в книге Вульфсона и Бюргера, указанной в литературе для данной главы. 90 Гл. L Кристаллическая структура и форма твердых ТёЛ Решгенограмна J i I i I 1 I i I 1 1_ Рис. 1.44. Сравнение результатов рентгено- и нейтронографнческого исследований магнетита FeaC>4 [Shull С. G. et al.— Phys. Rev., 84, 912 (1951)]. 0 12 в, град f6 Вместо того чтобы использовать монохроматическое рентгеновское излучение и изменение от времени угла Э, можно изготовить кристаллический образец таким образом, что в нем будут реализованы все углы падения на него рентгеновских лучей. Это осуществляется в методе Дебая — Шеррера, в котором в качестве кристаллического образца используется измельченный порошок со случайной ориентацией кристаллитов. Лучи, которые для того или иного кристаллита удовлетворяют условию Брэгга, выходят из образца по направлениям вдоль образующих концентрических конусов, ось которых совпадает с направлением падающего луча. При этом на фотопластинке регистрируется серия концентрических окружностей. Аналогично при дифракции электронов (см. рис. 1.39) сравниваются дифракционные картины от двух металлических пленок, в одной из которых ориентация кристаллитов является случайной, и на фотопластинке регистрируются кольца, а в другой имеется преимущественная ориентация и на фотопластинке регистрируются пятна. Фотометрирование картины интерференционных колец, полученной в порошковой рентгеновской камере, дает кривую с хорошо выраженными пиками при различных углах Брэгга. В большинстве экспериментов по рентгеновскому исследованию методом вращения кристалла фотопластинку заменяют чувствительным счетчиком рентгеновских квантов, соединенным с записывающим устройством, которое вычерчивает кривую отсчетов, когда кристалл медленно поворачивается. (Аналогичные устройства для счета и записи используются и в лю- 1.4. Дифракция в кристаллах 91 бом эксперименте с дифракцией нейтронов.) Информацию, полученную по результатам дифракции рентгеновских лучей и нейтронов, можно затем сравнить для того, чтобы выявить линии, которые разрешаются, например, на рентгенограмме и не разрешаются на нейтронограмме. Мы уже отмечали, что для получения рефлексов от легких атомов, таких, как водород, лучше всего использовать нейтроны. Во многих соединениях структурный фактор при отражении от определенных плоскостей может быть равен нулю для рентгеновских лучей и отличен от нуля для нейтронов, и наоборот. Как показано на рис. 1.44, картина дифракции нейтронов в магнитном материале имеет дополнительные максимумы, которых нет на рентгенограмме; эти дополнительные максимумы обусловлены магнитным упорядочением электронов d-оболочек.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Экспериментальные методы рентгенографического исследования структуры кристаллов» з дисципліни «Фізика твердого тіла»
