Экспериментальные методы исследования структуры материалов. Дифракционные методы

Лекции № 9 и 10.

Экспериментальные методы исследования структуры материалов.

Дифракционные методы.

До настоящего времени структуру веществ можно было изучать только экспериментально. Давнишний позор физических наук заключается в том, что по химической формуле нельзя предсказать структуру даже такого простого вещества, как графит. Задача предсказания структуры – это задача предсказания расположения атомов, при котором достигается наибольшая стабильность, то есть, наименьшая энергия кристалла. Но даже для систем всего с десятком атомов в ячейке существует порядка ста миллиардов вариантов расположений, и на оценку их энергии потребуется около 1000 лет.

Пока теория позволяет предсказать физические свойства материала, если известна его кристаллическая структура. Если знать хотя бы примерно, как расположены атомы в кристаллической структуре, то можно предсказать, будет этот материал металлом, или нет, будет ли он тугоплавким, или нет, и предсказать механические (прочностные) свойства этого материала.

Дифракция волн является основой нескольких мощных экспериментальных методов определения структуры вещества в материаловедении. Структурная кристаллография исследует закономерности внутреннего строения кристаллов, их химический и фазовый состав. Основным здесь является рентгеноструктурный анализ. Это изучение началось около 100 лет назад с работы немецкого физика Макса фон Лауэ.

Дифракция возникает, когда длина волны излучения приблизительно равна периоду повторяемости кристаллической решетки вещества. Если в этом случае на кристалл направить узкий рентгеновский луч, то он частично пройдет насквозь или поглотится веществом, а частично будет отражен на строго определенные углы – и по этим отраженным лучам можно определить структуру кристалла. Первыми, кто это научился делать еще в 1912 – 1913 годах, были английские физики Уильям Брэгг и его сын Лоренс.

Однако, математический аппарат, методические схемы исследования одинаково применимы как в рентгеноструктурном (РСА), так и в электронографическом (ЭСА) и нейтронографическом (НСА) структурном анализе. Все три метода основаны на одном общем эффекте – дифракции волн, пропускаемых через образец, и различаются лишь сущностью трех элементарных актов рассеяния, из которых складывается дифракция.

Все волны (звуковые и световые волны) дифрагируются объектами, имеющими размеры, сравнимые с длиной волны облучения. Поскольку рентгеновские лучи имеют длины волн, сравнимыми с расстояниями между атомами в кристаллах (0,1 нм), при прохождении через кристаллические решетки они претерпевают дифракцию. Электроны после ускорения разностью потенциалов 100 кВ имеют длину волны 0,0037 нм и поэтому они также могут использоваться при изучении дифракции. Нейтроны, генерированные в ядерном реакторе и затем замедленные до тепловых энергий, имеют примерно такую же длину волны и также интенсивно используются (Слайд 2). Из характера распределения дифрагированных лучей можно создать детальную картину расположения