Методы исследования твердых тел

Реферат

Тема: Методы исследования твердых тел

2019

Методы исследования твердых тел

В настоящее время для получения качественных научных результатов необходима максимально подробная информация о структуре и составе исследуемого материала. Для получения такой информации необходимо знать методы исследования структуры и состава веществ и уметь проводить анализ экспериментальных данных, получаемых этими методами.

Рентгеновский структурный анализ, структурная  нейтронография и электронография −являются основными современными методами

структурного анализа кристаллов. Геометрическая теория дифракции всех трех излучений −рентгеновских лучей, электронов, нейтронов − одинакова, но физическая природа взаимодействия их с веществом различна, что определяет специфику и области применения каждого из методов. Рентгеновские лучи рассеиваются электронными оболочками атомов, нейтроны (через короткодействующие ядерные силы) − атомными ядрами, электроны −электрическим потенциалом атомов.

Изучение атомной структуры твердых веществ основано на явлениях дифракции в них. Основное условие дифракции -соизмеримость длины падающей волны с расстоянием между рассеивающими центрами, в случае твердых тел расстояние между атомами составляет ~1−2 Å.

Физические основы дифракционных методов:

−рентгеновских лучей;

−нейтронов;

−электронов.

Рентгенография исследует, структуру кристаллов анализируя дифракцию рентгеновских  лучей  от  кристалла.  В  рентгенографии  используют  рентгеновские лучи с длиной волны от 0,7×10-10 до 3×10-10 м, которые при прохождении через кристалл взаимодействует с электронными оболочками атомов.

В  нейтронографии  используют  нейтронное  излучение  с  длиной  волны порядка 1 Ǻ (10-10 м). При прохождении через кристалл нейтроны

взаимодействуют с ядрами атомов и магнитными моментами электронов. Интенсивность дифракции в 100 раз слабее, чем в случае рентгеновского излучения.

В электронной дифракции используют электроны с длиной волны порядка 0,03 –0,06 Ǻ (3×10-12−6×10-12 м). При прохождении через кристалл электроны взаимодействуют с электростатическим потенциалом атома. Интенсивность дифракции электронов в 10 раз сильнее, чем в случае рентгеновского излучения. Кроме классических трехмерных кристаллов электронная дифракция позволяет определять

кристаллическую структуру квазикристаллов и несоразмерных кристаллов.

Дифракционные методы исследования позволяют расширить представление о строении и об основных свойствах твердых тел. Применение на практике перечисленных выше методик позволяетопределять структуры веществ, обладающих фазовыми переходами и соответственно определять параметры решетки. А также  изучать динамику кристаллических решеток и структурных фазовых переходов, анализировать температурные зависимости и заниматься поиском информации о  структурных  свойствах  материалов, происходящих  во  время  твердофазных реакций и превращений.

Как известно, твердофазные реакции –это реакции с участием твердых реагентов или веществ, которыеявляютсяосновой процессов получения, эксплуатации и регенерации большинства современных материалов, будь то жаропрочные  покрытия  гигантских  космических  кораблей  или  миниатюрные элементы памяти быстродействующих вычислительных машин. Твердофазные реакции практически всегда  совершаются  в  гетерофазных  системах,  так  как реагенты  и  продукты  образуют  самостоятельные  фазы,  состоящие  из  очень большого числа структурно упорядоченных частиц, которыми могут быть молекулы,  ионы  или  радикалы.В  твердофазном  материаловедении понятие структуры может означать как пространственное взаимное расположение атомов или ионов относительно друг друга (кристаллическая или рентгенографическая структура), так и взаимное расположение структурных элементов и фаз в поликристаллическом материале (микроструктура или керамическая структура).  Иногда  говорят  о  тонкой  (реальной)  кристаллической  структуре,  или субструктуре, имея в виду поверхностные и объемные несовершенства типа областей  когерентного  рассеяния,  остаточных  микроискажений  и  дефектов упаковки.