Глава 1. Рентгеновское излучение

Е. А. Репникова

 

Физические основы

Получения информации

 

Учебное пособие

для студентов 2 курса физико-технического факультета

 

 

Петрозаводск

Издательство ПетрГУ

оглавление

оглавление........................................................................................................ 4

Введение.............................................................................................................. 5

Глава 1. Рентгеновское излучение............................................. 8

1.1. Получение рентгеновских лучей..................................................... 8

1.2. Рентгеновские спектры........................................................................ 9

Глава 2. Дифракция в поликристаллах.................................. 13

Глава 3. Качественный фазовый анализ.............................. 23

3.1. Фаза. Фазовый анализ......................................................................... 23

3.2. Методика качественного фазового анализа........................... 28

Порядок выполнения работы........................................................ 30

Инструкция по проведению фазового анализа

с помощью пакета прикладных программ BASA........................... 31

Инструкция по работе с программой Ident.exe............................ 32

Инструкция по работе с программой Index.exe............................ 37

Инструкция по работе с программой KRIST1.exe.......................... 41

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ......................................................................... 42

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................... 43

Введение

 

В мире, в котором мы живем, действует множество законов физики. На пути эволюции человечества развивалась и физика. Теория и эксперимент неразделимы. Часто природные загадки подталкивали ученых для создания новых теорий. Из множества гипотез истинной становится та, которую доказывает опыт, эксперимент: например, опыт Резерфорда подтолкнул науку для выбора современной теории строения ядра. Эксперимент в свою очередь побуждает к новым теоретическим открытиям. Так произошло с открытием дифракции рентгеновских лучей.

Нет такого объекта исследования, которому бы физика не уделяла внимания: газы, жидкости, твердые тела, плазма.

Предметом физики твердого тела (ФТТ) является изучение и установление зависимости между составом, структурой и различными физическими свойствами (электрическими, магнитными, механическими, термическими и т. д.) в первую очередь твердых тел.

В задачу ФТТ входит выяснение вопросов образования и роста кристаллов (кристаллизация) и их разрушения (деградация) под влиянием различных факторов (плавление, действие ионизирующих излучений и т.д.), исследования поведения вещества в широком диапазоне давлений и температур.

ФТТ – один из важнейших разделов науки, имеющих большое практическое значение. Жизнь ставит новые задачи по созданию материалов с наперед заданными свойствами (для нужд космической промышленности, экологии, топливных ресурсов, микрооптоэлектроники, наноматериалов и т.д.). Достаточно указать на материалы, обладающие особыми механическими свойствами, (эластичность и твердость, прочность, жаропрочность и т.д.), электрическими (полупроводники, сверхпроводники, пьезоэлектрики), магнитными (ферромагнетики, ферриты, антиферромагнетики), оптическими (люминофоры, кристаллы для инфракрасной и ультрафиолетовой оптики) и другими свойствами.

На долю физиков приходится разработка физических методов исследования и синтеза материалов, создание микроскопической теории твердых тел.

ФТТ широко использует данные об атомно-электронной структуре вещества и силах межатомного и межмолекулярного взаимодействия. Эти данные получаются с помощью ряда важных физических методов исследования: структурных, спектроскопических, метода меченых атомов и т.д. Не потеряли своего значения и классические методы исследования, к которым можно отнести оптическую и электронную микроскопию.

Указанные методы дают богатый материал для познания структуры и свойств вещества и выяснения атомарного механизма процессов, происходящих в твердом теле.

Что понимают под твердым телом? Твердым телом или абсолютно твердым тело (АТТ) в физике называют несвободную систему материальных точек, расстояния между которыми остаются неизменными при любых перемещениях системы.

В ФТТ широко используется понятие «конденсированного состояния» или «конденсированных систем». Под конденсированным телом понимают термин, объединяющий твердые тела и жидкости. Атомы в конденсированном теле связаны между собой. Средней энергии теплового движения частиц не хватает на самопроизвольный разрыв связи, поэтому конденсированное тело сохраняет свой объем. Свойства этого состояния во многом зависят или определяются коллективным поведением частиц – атомов, ионов, электронов и т.д. В зависимости от этого меняются механические, электрические, оптические и др. свойства.

Чтобы понять, почему конденсированное тело в тех или иных случаях ведет себя по-разному, важно знать, как оно устроено на микроскопическом, атомном уровне. Необходимо знать, как составляющие это тело частицы расположены друг по отношению к другу и как они взаимодействуют, т.е. надо знать структуру вещества.

Под структурой понимают конкретное расположение атомов в кристаллической решетке.

Монокристаллы имеют форму правильных многогранников. Поликристаллы состоят из большого числа мелких, хаотически расположенных монокристаллов. Они представляют собой мелкокристаллические структуры. Монокристаллы и поликристаллы имеют пространственную кристаллическую решетку и обладают дальним порядком в расположении атомов. Кристаллы имеют симметрию, состоящую в том, что любому заданному направлению в кристалле соответствует одно или несколько направлений, которые в отношении рассматриваемых свойств являются совершенно одинаковыми. Простейшие элементы симметрии – оси и плоскости симметрии.

Различают скалярные, векторные и тензорные физические свойства кристаллов. К скалярным можно отнести плотность, температуру, теплоемкость. Векторные – электросопротивление, теплопроводность. Тензорные – определяются заданием их значений более, чем по трем направлениям – диэлектрическая проницаемость, упругие свойства.

Представляют интерес такие тела, которые принято называть квазикристаллами. Они состоят из атомов, которые не образуют кристаллическую решетку, но обладают дальним координационным порядком (10 – 30 Å) и способны когерентно рассеивать падающее излучение. Представителем квазикристалла является соединение Al₆CuZn₃. Данное соединение имеет оси 5, 8, 10, 12 порядков.

Наибольший интерес в последнее время проявляется к изучению структуры и свойств аморфных веществ. В отличие от перечисленных выше структур аморфные вещества не обладают кристаллической решеткой, т.е. не имеют дальнего порядка в расположении атомов. Однако это не означает, что аморфное тело – полностью беспорядочное. В аморфных веществах реализуется ближний порядок (БП). Он может быть дистанционным и сортовым или химическим БП.

Дифракционные методы основаны на явлении рассеяния коротковолновых излучений, длины волн которых соизмеримы с периодом кристаллической решетки. К коротковолновым излучениям можно отнести рентгеновское излучение, g – излучение, нейтронное и электронное.

Глава 1. Рентгеновское излучение