Глава 8. Дифракционные методы анализа

Дифракционные методы исследования структуры вещества осно- ваны на изучении углового распределения интенсивности рассеяния ис- следуемым веществом излучения – рентгеновского, потока электронов или нейтронов и мѐссбауэровского γ-излучения. Соответственно разли- чают рентгенографию, электронографию, нейтронографию и мѐссбау- эрографию.

Во всех случаях первичный (чаще монохроматический) пучок направляют на исследуемый объект и анализируют картину рассеяния. Рассеянное излучение регистрируется фотографически или с помощью счетчиков. Поскольку длина волны излучения составляет обычно не бо- лее 0,2 нм, т. е. соизмерима с расстояниями между атомами в веществе (порядка 0,1–0,4 нм), то рассеяние падающей волны представляет собой дифракцию на атомах. По дифракционной картине можно восстановить атомную структуру вещества.

Теория, описывающая связь картины упругого рассеяния с про- странственным расположением рассеивающих центров, для всех излу- чений одинакова, однако конкретный вид и особенности дифракцион- ной картины определяются разными характеристиками атомов.

Наиболее полные экспериментальные исследования структуры ве- щества на атомном уровне (дефектов кристаллического строения), их фазового и химического составов проводятся именно дифракционными методами, такими, как рентгеновский структурный анализ – метод ис- следования структуры вещества по распределению в пространстве и ин- тенсивностям рассеянного на анализируемом объекте рентгеновского излучения. Методами рентгеновского структурного анализа изучают металлы, сплавы, минералы, неорганические и органические соедине- ния, полимеры, аморфные материалы, жидкости и газы, молекулы бел- ков, нуклеиновых кислот и т. д. Наиболее успешно рентгеновский структурный анализ применяют для установления атомной структуры кристаллических тел. Это обусловлено тем, что кристаллы обладают строгой периодичностью строения и представляют собой созданную самой природой дифракционную решѐтку для рентгеновских лучей.

Рентгеновский структурный анализ наряду с нейтронографией и электронографией является дифракционным структурным методом; в его основе лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электро- нами вещества, в результате которого возникает дифракция рентгенов- ских лучей. Дифракционная картина зависит от длины волны использу-

248

емых рентгеновских лучей и строения объекта. Для исследования атом- ной структуры применяют излучение с длиной волны ~ 1 Å (порядка размеров атомов).

Для изучения надатомной структуры пористых и ультрадисперс- ных материалов, биологических объектов, полимеров применяют мало- угловое рентгеновское рассеяние (МУР). МУР дисперсными системами является частным случаем изотропного рассеяния. МУР применяется также в промышленности при контроле процессов изготовления катали- заторов, высокодисперсных углей.

Для создания условий дифракции и регистрации излучения служат рентгеновские камеры и рентгеновские дифрактометры. Рассеянное рентгеновское излучение в них фиксируется на фотоплѐнке или измеря- ется детекторами ядерных излучений. Дифракционную картину реги- стрируют на фотоплѐнке в рентгеновском гониометре и измеряют с помощью микрофотометра степень почернения каждого пятна на рентгенограмме. В рентгеновском дифрактометре можно непосред- ственно измерять интенсивность дифракционных отражений с помощью пропорциональных, сцинтилляционных и других счѐтчиков рентгенов- ских квантов. Чтобы иметь полный набор отражений, в рентгеновских гониометрах получают серию рентгенограмм. На каждой из них фикси- руются дифракционные отражения, на миллеровские индексы которых накладывают определѐнные ограничения.

Для установления атомной структуры средней сложности (~50–100 атомов в элементарной ячейке) необходимо измерить интенсивности сотен и даже тысяч дифракционных отражений. Эту работу выполняют автоматические микроденситометры и дифрактометры (с несколькими счѐтчиками, которые могут параллельно регистрировать отражения), управляемые ЭВМ.