Рентгенофазовый анализ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГАОУ ВО

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Кафедра «Металлургия тяжелых цветных металлов»

Домашняя работа

Рентгенофазовый анализ

Выполнила: Юмакова С.Р.

Студентка гр. МТМ-250305:

Преподаватель: Письмак В.Н.

Екатеринбург, 2016

Содержание

Введение

Общие сведения

Подготовка образцов к анализу

Расшифровка рентгенограмм

Список использованной литературы

Введение

Рентгенофазовый анализ (РФА) является одним из направлений рентгенографии. Это один из наиболее универсальных методов исследования кристаллических материалов. Он позволяет определять минералогический состав природных и искусственных минеральных строительных материалов: глин, известняков, керамики, цементного клинкера, шлаков, цементного камня, и т.п. Этот метод полезен при исследовании процессов структурообразования и разложения минеральных материалов, явлений полиморфизма.

Общие сведения

Рентгенографический анализ - это совокупность методов исследования кристаллических веществ, основанных на отражении ими рентгеновских лучей. Рентгенографический анализ имеет несколько самостоятельных направлений: рентгеноструктурный анализ, задача которого состоит в нахождении точных позиций атомов в кристаллической решетке; рентгенофазовый анализ, задача которого состоит в идентификации кристаллических веществ (фаз), входящих в состав анализируемого мате- риала; определение размеров частиц и степени микроискажений кристаллической решетки.

В основе рентгенографического анализа лежит явление дифракции рентгеновских лучей кристаллами. Известно, что веществу в любом агрегатном состоянии свойственна та или иная степень упорядоченности. Наибольшей упорядоченностью обладают твердые кристаллические тела: они характеризуются периодическим повторением в пространстве некоторой элементарной ячейки, узлами которой являются атомы, ионы или молекулы. Расстояния между узлами в элементарной ячейке (межатомные расстояния) составляют несколько ангстрем, т.е. имеют тот же порядок, что и длины волн рентгеновских лучей. Благодаря этому замечательному совпадению, при взаимодействии рентгеновских лучей с твердым телом возникает интерференция, а поскольку в кристалле атомы располагаются регулярно, возникает четкая дифракционная картина. Таким образом, кристаллы могут служить дифракционной решеткой для рентгеновских лучей. По виду дифракционной картины можно дать характеристику кристалла.

Теорию дифракции рентгеновских лучей развил Л. Брэгг в 1913 году, еще будучи студентом Кембриджского университета. Согласно этой теории, при попадании пучка рентгеновских лучей на грань кристалла четкая дифракционная картина наблюдается не всегда. В отличие от видимых лучей, которые, как известно, отражаются от зеркала при любом угле падения, рентгеновский луч с длиной волны «зеркально» отражается пакетом данных параллельных кристаллических плоскостей только под строго определенными углами; под другими же имеет место погасание. Дело в том, что рентгеновские лучи проникают вглубь кристалла, и отражение происходит не только от поверхности, но и от нижележащих плоскостей. Путь, пройденный лучом, отраженным от второй кристаллической плоскости, как видно из рис. 1, оказывается большим, чем путь, пройденный таким же лучом от первой, на величину 2d sin. Эта величина называется разностью хода лучей. Четкая дифракционная картина будет наблюдаться только в случае, если разность хода лучей равна (или кратна) длине волны рентгеновского излучения. Таким образом, получается уравнение Вульфа-Брэгга

n = 2d sin,

Где - длина волны монохроматического рентгеновского излучения;

n = 1, 2, 3…- порядок отражения, для простоты расчетов его принимают равным 1;

- угол падения рентгеновского луча (причем угол падения равен углу отражения);

d - межплоскостное расстояние.

Каждое кристаллическое вещество (фаза) имеет не одно, а целый набор присущих ему межплоскостных расстояний, поскольку регулярно расположенные атомы в решетке кристалла можно мысленно рассечь плоскостями в различных направлениях. Набор межплоскостных расстояний - это своеобразный «паспорт», по которому можно идентифицировать кристаллическую фазу. Рассчитать межплоскостные расстояния можно из уравнения Вульфа-Брэгга, сняв рентгеновскую дифрактограмму (рентгенограмму) анализируемого материала и определив по ней углы .

Прибор для съемки рентгенограмм в общем случае должен иметь источник рентгеновского излучения и устройство для регистрации отраженных рентгеновских лучей.

В качестве источников рентгеновских лучей применяют рентгеновские электронные трубки. Это баллоны, эвакуированные до остаточного давления 10^-6-10^-7 Па. Их работа основана на способности накаленных металлов испускать электроны.

Электроны накаленного катода, бомбардируя холодный анод, генерируют характеристические рентгеновы лучи. Длина волны рентгеновских лучей зависит от материала анода. Например, для медного анода она составляет 1,54050 Е, а для анода из хрома 2,28962Е. Рентгеновские лучи выходят из трубки, проникая через специальное окошко, изготовленное из легкого металла, и падают на анализируемый образец.

Регистрация отраженных рентгеновских лучей может производиться двумя способами: на фотопленку (фотографически) либо с помощью счетчиков квантов рентгеновского излучения (дифрактометрически).

Второй способ более прогрессивный: он позволяет автоматизировать съемку и запись результатов. Предназначенный для этого прибор - дифрактометр (например, ДРОН-2).

Прибор - рентгеновский дифрактометр (ДРОН-1, ДРОН-1,5, ДРОН-2) - снабжен гониометрической системой, которая включает в себя держатель плоского образца, держатель счетчика, кинематическое устройство для вращения образца и счетчика с соотношением угловых скоростей 1:2, устройство для измерения углов поворота счетчика - нониус. Точность измерения углов 0,005°. Схема дифрактометрической съемки плоского образца приведена на рис. 2.

Во время дифрактометрической съемки образец поворачивается вокруг своей оси, благодаря чему угол падения рентгеновских лучей изменяется во времени. При некоторых значениях выполняется соотношение Вульфа-Брэгга, и происходит отражение рентгеновских лучей от плоского образца. Отраженный луч попадает в счетчик благодаря тому, что последний поворачивается вокруг образца (при повороте образца на угол счетчик поворачивается на угол 2). Кванты отраженного рентгеновского луча возбуждают в счетчике импульсы тока, они преобразуются в импульсы напряжения и подаются на самопишущий прибор - на диаграммной ленте записывается интенсивность импульсов в зависимости от угла поворота счетчика. Общий вид дифрактограммы приведен на рис. 3.

Подготовка образцов к анализу

рентгенофазовый дифракционный структурообразование полиморфизм

Для получения четких рентгенограмм необходимо тщательно готовить образцы для анализа. Самым распространенным является метод порошка, в котором образец растирают в тонкий порошок, который затем наносится на поверхность пластинки из оргстекла с помощью органических клеев (БФ, цапонлак) либо запрессовывается в таблетку. При этом необходимо помнить, что плохо растертый порошок дает нечеткие рентгенограммы. В то же время при чрезмерном перетирании могут произойти полиморфные превращения или возникнуть напряжения в кристаллах, что приведет к искажению дифракционной картины.

Расшифровка рентгенограмм

Рентгенограмму, полученную на рентгеновском дифрактометре, называют дифрактограммой. Она записана на диаграммной ленте в координатах I-2 , где I - интенсивность дифракционного пика, мм; 2- угол поворота счетчика в угловых градусах; причем отсчет углов на дифрактограмме ведется справа налево. На этой же ленте автоматически проставлены отметки углов - они, как правило, идут через один градус (перед началом расшифровки это следует уточнить по реперным точкам, которые проставлены на диаграммной ленте оператором).

Расшифровка дифрактограммы осуществляется в следующей последовательности:

- Обнаруживают пики и нумеруют их справа налево.

- Через основания пиков проводят базисную линию. Это может быть прямая или ломаная линия, касающаяся максимального количества точек дифрактограммы снизу

- Для каждого пика определяют угол 2 с точностью до 0,01 градуса. Это легко сделать, когда вершина пика совпадает с отметкой угла на диаграммной ленте. Если вершина пика лежит между отметками углов, то доли градусов из пропорции находят, измерив в миллиметрах расстояние между двумя соседними отметками углов и расстояние от правой отметки угла до положения вершины пика.

- Для каждого пика, зная угол поворота счетчика 2, находят угол отражения .

- Для каждого пика определяют абсолютную интенсивность (I_абс, мм) , измерив его высоту от базисной линии до вершины. Затем находят относительную интенсивность (I_отн , балл) приняв за 10 баллов интенсивность самого высокого пика (I_max) на дифрактограмме. Интенсивность является вспомогательной характеристикой в качественном рентгенофазовом анализе.

- Для каждого пика по значениям угла , пользуясь уравнением Вульфа-Брэгга рассчитывают межплоскостное расстояние d с точностью до 0,001Е.

Все результаты измерений заносят в таблицу. На этом первичная обработка дифрактограммы заканчивается, и начинается исследование фазового состава материала.

Таблица

Результаты расшифровки дифрактограммы

Определение фазового состава основано на том, что каждое индивидуальное кристаллическое вещество имеет свой набор межплоскостных расстояний d и дает специфическую дифрактограмму с определенным набором пиков. Анализ облегчается, если предположительно известно, какой материал зафиксирован на дифрактограмме.

Из справочных таблиц находят рентгеновские константы (межплоскостные расстояния d и относительные интенсивности пиков I_отн), характеризующие предполагаемое вещество (фазу).

Идентификацию каждой фазы начинают с пиков наибольшей интенсивности: сравнивают d максимального пика на дифрактограмме с межплоскостным расстоянием наибольшего табличного. Если они совпадают полностью или отличаются незначительно, то продолжают сравнение менее интенсивных пиков. Если на дифрактограмме выявлено 3-5 пиков, принадлежащих одному веществу (фазе), значит можно утверждать, что данное вещество (фаза) присутствует в материале, с которого снята эта рентгенограмма.

В столбце 7 таблицы указывают для соответствующих пиков идентифицированную фазу. При идентификации фаз необходимо учитывать следующее:

1) в полиминеральных системах возможны наложения пиков от двух, а иногда и более, фаз;

2) из-за наличия дефектов в кристаллической решетке вещества возможны смещения d в ту или иную сторону;

3) интенсивность пиков зависит от концентрации данного вещества в образце, поэтому некоторые пики, приведенные в стандартной табличной картотеке, могут быть не обнаружены на рентгенограмме из-за малого количества данной фазы;

4) рентгенограммы природных минералов и твердых растворов не обязательно однозначны, отдельные межплоскостные расстояния могут «гулять» в достаточно большом диапазоне вокруг табличных значений;

5) и наконец, существует возможность, что совершенно различные вещества будут иметь похожие рентгенограммы.

Все эти обстоятельства указывают на то, что необходимо иметь представление о наличии возможных фаз в исследуемом образце.

По окончании работы после заполнения таблицы делается вывод, в котором указывается наличие или отсутствие предполагаемых фаз на дифрактограмме.

Список использованной литературы

1. Горшков, В.С. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ / В.С. Горшков, В.В. Тимашев, В.Г. Савельев. - М.: Высш. шк., 1981. - 335 с.

2. Нахмансон, М.С. Диагностика состава материалов рентгено-дифракционными и спектральными методами / М.С. Нахмансон, В.Г. Фекличева. - Л.: Машиностроение, 1990. - 357 с.

Размещено на Allbest.ru