X-Ray Cristalografie
Cu toate acestea, avem inca nevoie sa stie ceva despre raze X, modul in care acestea sunt generate, si modul in care interactioneaza cu solide cristaline.
Razele X si Productie a razelor X
Razele X sunt radiatii electromagnetice cu lungimi de unda intre aproximativ 0.02 A si A 100 (1A = 10 -10 metri). Ei sunt parte a spectrului electromagnetic care cuprinde lungimi de unda a radiatiilor electromagnetice numite lumina vizibila, care ochii nostri sunt sensibili la (lungimi de unda diferite ale luminii vizibile ne apar ca si culori diferite). Deoarece Razele X au lungimi de unda asemanatoare cu dimensiunea de atomi, ele sunt utile pentru a explora in termen de cristale.
|
| De energie de raze X, la fel ca toate radiatiile electromagnetice, este invers proportionala cu lungimea de unda lor ca data de ecuatia lui Einstein: E = h n = hc / l
Astfel, incepand cu raze X au o lungime de unda mai mici decat lumina vizibila, au mai mare de energie. Cu energia lor mai mari, razele X pot penetra Materie mai usor decat se poate lumina vizibila. Abilitatea lor de a penetra chestiune depinde de densitatea materiei, si, astfel, raze X ofera un instrument puternic in medicina pentru cartografierea structurilor interne ale corpului uman (oasele au o densitate mai mare de tesuturi, si, prin urmare sunt mai greu de raze X pentru a penetra, fracturi la oasele au o densitate diferita de os, astfel fracturi poate fi vazut in X-ray imagini). |
Razele X sunt produse intr-un dispozitiv numit un tub cu raze X. Un astfel de tub este ilustrat aici. Acesta consta intr-o camera de evacuati cu un filament de tungsten la un capat al tubului, numit catod, si o tinta de metal de la celalalt capat, numit anod. Curentul electric se executa prin filament de tungsten, facandu-l sa straluceasca si emite electroni. O diferenta de tensiune mare (masurata in kilovolts) este plasat intre anod si catod, cauzand electronii pentru a va deplasa la viteza mare de la filament la anod tinta. La izbitoare atomilor din tinta, electronii disloce electronii interior coaja rezultand in electroni avand in exterior pentru a sari la un shell mai redus de energie care sa inlocuiasca electroni dislocat. Aceste rezultate tranzitii electronice in generarea de raze X. Raze X a muta apoi printr-o fereastra in tub cu raze X si poate fi utilizat pentru a furniza informatii cu privire la regimul intern de atomi in cristale sau structura de parti ale corpului interne. |  |
Continua si caracteristice de raze X Spectra Atunci cand materialul tinta a tubului de raze X este bombardat cu electroni accelerat de la catod cu incandescenta, doua tipuri de spectre de raze X sunt produse. Primul se numeste spectrele continuu. |
| Spectrele continua consta dintr-o gama de lungimi de unda de raze X, cu lungime de unda minime si intensitate (masurata in numarul pe secunda), in functie de materialul tinta si de tensiune pe tubul de raze X. Scade minim de lungime de unda si intensitatea creste pe masura ce tensiunea creste. Al doilea tip de spectre, spectrele numit caracteristica, este produs la tensiune inalta, ca urmare a tranzitiilor electronice specifice, care au loc in cadrul atomilor individuali a materialului tinta. |  |
Acest lucru este mai usor pentru a vedea utilizarea unei metode simple modelul Bohr al atomului. Intr-un astfel de model, nucleul atomului care contine protonii si neutronii este inconjurat de cochilii de electroni. Invelisul cel mai intim, numita K-shell, este inconjurat de-L si M - cochilii. In cazul in care energia de electroni accelerati spre tinta devine suficient de mare pentru a indeparta K-coaja electroni, electronii din L - si M - scoici deplasa pentru a lua locul celor dislocat. |  |
Fiecare dintre aceste tranzitii electronice produce un X-ray, cu o lungime de unda care depinde de structura exacta a atomului de a fi bombardat. O tranzitie de la L - shell la K-shell produce un K un X-ray, in timp ce trecerea de la o M - shell la K-shell produce un b K X-ray. |
| Aceste caracteristice Razele X au o intensitate mult mai mari decat cele produse de sprectra continua, cu un K raze X avand in intensitate mai mare decat K b radiografii. Punctul important aici este ca lungimea de unda a acestor raze X caracteristice este diferit pentru fiecare atom din tabelul periodic (desigur, doar acele elemente cu numar atomic mai mare au-L si M - electroni coaja, care pot suferi tranzitii pentru a produce raze X ). Un filtru este folosit in general pentru a filtra mai mica intensitate K b radiografii. |  |
Pentru materialele tinta utilizate in mod obisnuit in tuburile cu raze X, raze X au lungimi de unda urmatoarele bine-cunoscut determinate experimental:
|
| |
 | Deoarece un fascicul de raze X consta intr-o legatura de valuri separate, unde pot interactiona unul cu altul. O astfel de interactiune se numeste interferenta. Daca toate undele din pachet sunt in faza, care este crestele lor si jgheaburi sa apara la exact aceeasi pozitie (la fel ca fiind un numar intreg de lungimi de unda de faza, n l, n = 1, 2, 3, 4, etc), unde va interfera cu unul pe altul si amplitudini lor se va adauga impreuna pentru a produce un val rezultanta, care este are o amplitudine mai mare (suma tuturor valuri, care sunt in faza. |
 | In cazul in care valurile sunt de faza, fiind oprit de un numar de non-intreg de lungimi de unda, atunci interferenta distructiva vor aparea si a amplitudinii undelor va fi redus. Intr-un caz extrem, in cazul in care valurile sunt de faza de un multiplu impar de l 1 / 2 [(2n +1) / 2 l], unda rezultanta va avea nici o amplitudine si, astfel, sa fie distruse complet. |
| Atomii din cristale interactiona cu raze X valuri in asa fel incat sa produca interferente. Interactiunea poate fi gandit ca in cazul in care atomii intr-o structura de cristal reflecta valuri. Dar, pentru ca o structura de cristal consta dintr-un aranjament ordonat de atomi, reflexiile apar de la ceea ce pare a fi planuri de atomi. Sa ne imaginam un fascicul de raze X de inregistrare a unei cristal cu unul dintre aceste avioane de atomi de orientate la un unghi de q pe faza de intrare a monocromatice de raze X (monocromatica inseamna unul de culoare, sau in acest caz, o lungime de unda discret, asa cum este produs de catre Spectrele caracteristica a tubului de raze X). |
| Doua astfel de razele X sunt prezentate aici, in cazul in care distanta dintre planurile atomice apare pe distanta, D. Ray 1 reflecta off de avion atomice superioare, la un unghi q egal cu unghiul de incidenta. In mod similar, Ray 2 reflecta in largul planul inferior atomice de la q acelasi unghi. In timp ce Ray 2 este in cristal, cu toate acestea, se deplaseaza pe o distanta de 2a mai departe decat Ray 1. Daca aceasta distanta 2a este egal cu un numar intreg de lungimi de unda (n L), apoi Raze 1 si 2 va fi in faza de la iesirea lor din cristal si interferenta constructiva vor aparea. |  |
| In cazul in care distanta 2a nu este un numar intreg de lungimi de unda, atunci interferenta distructiva vor aparea si valurile nu vor fi la fel de puternic ca atunci cand au intrat in cristal. Astfel, conditia de interferenta constructiva sa apara este n l = 2a dar, din trigonometria, ne putem da seama ce 2a distanta este din punct de vedere al spatiului, d, intre planurile atomice. a = d pacat q sau 2a = 2 d pacat q astfel, n l = 2d pacat q Acest lucru este cunoscut sub numele de legea Bragg pentru difractie de raze X. Ce se spune este ca, daca stim lungime de unda, l, de raze X pentru a merge in cristal, si putem masura q unghiul de difractate raze X care ies din cristal, atunci stim spatierea (mentionata pentru ca d-spatiere) intre planurile atomice. d = n l / pacat 2 q Din nou, este important sa se sublinieze ca acest difractie va avea loc numai in cazul in care razele sunt in faza atunci cand apar, iar acest lucru va avea loc numai la valoarea corespunzatoare de n (1, 2, 3, etc) si q. In teorie, atunci am putea re-orienteze cristal, astfel ca un alt avion atomic este expus si se masoara d-spatierea dintre toate planurile atomice din cristal, in cele din urma ne conduc pentru a determina structura de cristal si dimensiunea celulei unitatii. |
X-ray Pulbere Metoda In practica, acest lucru ar fi o operatiune consumatoare de timp pentru a reorienta cristal, masura unghiul q, si de a determina d-spatierea pentru toate planurile atomice. O modalitate mai rapida este de a folosi o metoda numita metoda de pulbere. In aceasta metoda, un mineral este la sol pana la o pulbere fina. In forma de praf, sunt mii de boabe, care au orientari aleatoare. Cu orientari aleatoare ne-am putea astepta de cele mai multe planuri diferite atomice sa minta paralela cu suprafata in unele dintre boabe. Astfel, prin scanarea printr-o q unghi de incident de raze X forma grinzi 0 - 90 °, ne-am astepta sa gaseasca toate unghiurile de difractie in cazul in care a avut loc, si fiecare dintre aceste unghiuri ar putea fi asociate cu o distanta atomica diferita. |
 | Instrumentul folosit pentru a face acest lucru este un difractometru cu raze X pulbere. Acesta consta dintr-un tub cu raze X capabile de a produce un fascicul de raze X monocromatice, care poate fi rotit pentru a produce unghiuri 0 - 90 °. Un esantion minerale sub forma de praf este plasat pe o scena esantion, astfel incat sa poata fi iradiate de tubul de raze X. Pentru a detecta difractate cu raze X, un detector electronic este plasat pe cealalta parte a probei din tubul de raze X, si de asemenea este permis sa se roteasca pentru a produce unghiuri 0 - 90 °. |
Instrumentul folosit pentru a roti atat tub cu raze X si detector este numit goniometru. Goniometru tine evidenta q unghi, si trimite aceste informatii la un calculator, in timp ce detectorul inregistreaza rata de raze X iese de cealalta parte a esantionului (in unitati a numarului de celule / sec) si trimite aceste informatii la computer. |
| Dupa o scanare a probei intensitatea cu raze X poate fi complotat impotriva q unghiul (raportate de obicei ca 2 q din cauza modului in diffractometers mai mari s-au facut), pentru a produce o diagrama, precum cel afisat aici. Unghiul 2 q pentru fiecare varf de difractie pot fi apoi convertite la d-spatierea, folosind ecuatia Bragg. |  |
| Se poate lucra apoi in structura de cristal si fiecare asociat a varfurilor de difractie cu un plan atomica diferita in ceea ce priveste Indicele Miller pentru acel plan (HKL). Un grup cunoscut sub numele de Comitetul mixt pentru Standarde Difractia Pulbere (JCPDS) a colectat date, cum ar fi acest lucru din mii de substante cristaline. Aceste date pot fi obtinut ca fisiere Pulbere Difractia JCPDS. Deoarece fiecare compus cu structura cristalina fel se va produce un model identic de difractie praf, modelul serveste ca un fel de "amprenta" de substanta, si compararea, astfel, un mineral necunoscut pentru cei in dosarul Difractia Pulbere permite identificarea usoara de necunoscut. Vom vedea cum se face acest lucru in laboratorul nostru demonstrative. |
Exemple de intrebari de pe acest material care ar putea fi intrebat la un examen
|