- Виникнення і властивості рентгенівського випромінювання
- Взаємодія рентгенівських променів з кристалами
- Рентгеноаналіз в науці і техніці
Рентгенівське ПРОМЕНІ - електромагнітне випромінювання з довжинами хвиль 10-4 - 10 А (10-5 - 1 нм).
У 1895 німецький фізик Рентген , Проводячи досліди по проходженню струму між двома електродами у вакуумі, виявив, що екран, вкритий люмінесцентним речовиною (сіллю барію) світиться, хоча розрядна трубка закрита чорним картонним екраном - так було відкрито випромінювання, проникаюче через непрозорі перешкоди, назване Рентгеном Х-променями. Було виявлено, що рентгенівське випромінювання, невидиме для людини, поглинається в непрозорих об'єктах тим сильніше, чим більше атомний номер (щільність) перепони, тому рентгенівські промені легко проходять через м'які тканини людського тіла, але затримуються кістками скелета. Були сконструйовані джерела потужних рентгенівських променів, що дозволяють просвічувати металеві деталі і знаходити в них внутрішні дефекти.
німецький фізик Лауе припустив, що рентгенівські промені є таким же електромагнітним випромінюванням, як промені видимого світла, але з меншою довжиною хвилі і до них застосовні всі закони оптики, в тому числі можлива дифракція. В оптиці видимого світла дифракція на елементарному рівні може бути представлена як віддзеркалення світла від системи штрихів - дифракційної решітки, що відбувається тільки під певними кутами, при цьому кут відображення променів пов'язаний з кутом падіння, відстанню між штрихами дифракційної решітки і довжиною хвилі падаючого випромінювання. Для дифракції потрібно, щоб відстань між штрихами було приблизно дорівнює довжині хвилі падаючого світла.
Лауе припустив, що рентгенівські промені мають довжину хвилі, близьку до відстані між окремими атомами в кристалах, тобто атоми в кристалі створюють дифракційну решітку для рентгенівських променів. Рентгенівські промені, спрямовані на поверхню кристала, відбилися на фотопластинку, як передбачалося теорією.
Будь-які зміни в положенні атомів впливають на дифракційну картину, і, вивчаючи дифракцию рентгенівських променів, можна дізнатися розташування атомів в кристалі і зміна цього розташування при будь-яких фізичних, хімічних і механічних впливах на кристал.
Зараз рентгеноаналіз використовується в багатьох областях науки і техніки, з його допомогою дізналися розташування атомів в існуючих матеріалах і створили нові матеріали із заданими структурою і властивостями. Останні досягнення в цій галузі (наноматеріали, аморфні метали, композитні матеріали) створюють поле діяльності для наступних наукових поколінь.
Виникнення і властивості рентгенівського випромінювання
Джерелом рентгенівських променів є рентгенівська трубка, в якій є два електроди - катод і анод. При нагріванні катода відбувається електронна емісія, електрони, що вилітають з катода, прискорюються електричним полем і вдаряються об поверхню анода. Від звичайної радіолампи (діода) рентгенівську трубку відрізняє, в основному, більш високе прискорювальна напруга (більше 1 кВ).
Коли електрон вилітає з катода, електричне поле змушує його летіти у напрямку до анода, при цьому швидкість його безперервно зростає, електрон несе магнітне поле, напруженість якого зростає з ростом швидкості електрона. Досягаючи поверхні анода електрон різко гальмується, при цьому виникає електромагнітний імпульс з довжинами хвиль в певному інтервалі (гальмівне випромінювання). Розподіл інтенсивності випромінювання по довжинах хвиль залежить від матеріалу анода рентгенівської трубки і прикладеної напруги, при цьому з боку коротких хвиль ця крива починається з деякої граничної мінімальної довжини хвилі, що залежить від прикладеної напруги. Сукупність променів з усіма можливими довжинами хвиль утворює безперервний спектр, і довжина хвилі, відповідна максимальної інтенсивності, в 1,5 рази перевищує мінімальну довжину хвилі.
При збільшенні напруги рентгенівський спектр різко змінюється за рахунок взаємодії атомів з високоенергетичних електронами і квантами первинних рентгенівських променів. Атом містить внутрішні електронні оболонки (енергетичні рівні), кількість яких залежить від атомного номера (позначаються буквами K, L, М і т.д.) Електрони і первинні рентгенівські промені вибивають електрони з одних енергетичних рівнів на інші. Виникає метастабільний стан і для переходу до стабільного стану необхідний перескок електронів в зворотному напрямку. Цей стрибок супроводжується виділенням кванта енергії і виникненням рентгенівського випромінювання. На відміну від рентгенівських променів з безперервним спектром, у цього випромінювання дуже вузький інтервал довжин хвиль і висока інтенсивність (характеристичне випромінюванням) (див. Рис.). Кількість атомів, що визначають інтенсивність характеристичного випромінювання, дуже велике, наприклад, для рентгенівської трубки з мідним анодом при напрузі 1 кВ струмі 15 мА за 1 з характеристичне випромінювання дають 1014-1015 атомів. Ця величина обчислюється як відношення загальної потужності рентгенівського випромінювання до енергії кванта рентгенівського випромінювання з К-оболонки (К-серія рентгенівського характеристичного випромінювання). Загальна потужність рентгенівського випромінювання при цьому становить всього 0,1% від споживаної потужності, інша частина втрачається, в основному, за рахунок переходу в тепло.
Внаслідок високої інтенсивності і вузького інтервалу довжин хвиль характеристичне рентгенівське випромінювання є основним типом випромінювання, що використовуються в наукових дослідженнях і при технологічному контролі. Одночасно з променями К-серії генеруються промені L і М-серій, що мають значно більші довжини хвиль, але застосування їх обмежене. K-серія має дві складові з близькими довжинами хвиль a і b, при цьому інтенсивність b -складати в 5 разів менше, ніж a. У свою чергу a -складати характеризується двома дуже близькими довжинами хвиль, інтенсивність однієї з яких в 2 рази більше, ніж інший. Щоб отримати випромінювання з однією довжиною хвилі (монохроматичні випромінювання), розроблені спеціальні методи, які використовують залежність поглинання і дифракції рентгенівських променів від довжини хвилі. Збільшення атомного номера елемента пов'язане зі зміною характеристик електронних оболонок, при цьому чим більше атомний номер матеріалу анода рентгенівської трубки, тим менше довжина хвилі К-серії. Найбільш широко застосовуються трубки з анодами з елементів з атомними номерами від 24 до 42 (Cr, Fe, Co, Cu, Mo) і довжинами хвиль від 2,29 до 0,712 А (0,229 - 0,712 нм).
Крім рентгенівської трубки, джерелами рентгенівського випромінювання можуть бути радіоактивні ізотопи, одні можуть безпосередньо випускати рентгенівське випромінювання, інші випускають електрони і a-частинки, що генерують рентгенівське випромінювання при бомбардуванні металевих мішеней. Інтенсивність рентгенівського випромінювання радіоактивних джерел зазвичай значно менше, ніж рентгенівської трубки (за винятком радіоактивного кобальту, використовуваного в дефектоскопії і дає випромінювання дуже малої довжини хвилі - g-випромінювання), вони компактні і не вимагають електроенергії. Синхротронне рентгенівське випромінювання отримують в прискорювачах електронів, довжина хвилі цього випромінювання значно перевищує одержувану в рентгенівських трубках (м'яке рентгенівське випромінювання), інтенсивність його на кілька порядків вище інтенсивності випромінювання рентгенівських трубок. Є й природні джерела рентгенівського випромінювання. Радіоактивні домішки виявлені в багатьох мінералах, зареєстровано рентгенівське випромінювання космічних об'єктів, в тому числі і зірок.
Взаємодія рентгенівських променів з кристалами
При рентгенографічних досліджень матеріалів з кристалічною структурою аналізують інтерференційні картини, що виникають в результаті розсіювання рентгенівських променів електронами, що належать атомам кристалічної решітки. Атоми вважаються нерухомими, їх теплові коливання не враховуються і всі електрони одного і того ж атом вважаються зосередженими в одній точці - вузлі кристалічної решітки.
Для виведення основних рівнянь дифракції рентгенівських променів в кристалі розглядається інтерференція променів, розсіяних атомами, розташованими вздовж прямої в кристалічній решітці. На ці атоми під кутом, косинус якого дорівнює a 0, падає плоска хвиля монохроматичного рентгенівського випромінювання. Закони інтерференції променів, розсіяних атомами, аналогічні існуючим для дифракційної решітки, що розсіює світлове випромінювання у видимому діапазоні довжин хвиль. Щоб на великій відстані від атомного ряду амплітуди всіх коливань складалися, необхідно і достатньо, щоб різниця ходу променів, що йдуть від кожної пари сусідніх атомів, містила ціле число довжин хвиль. При відстані між атомами а це умова має вигляд:
а (a - a0) = h l,
де a - косинус кута між атомним поруч і відхиленим променем, h - ціле число. У всіх напрямках, які не задовольняють цьому рівнянню, промені не поширюються. Таким чином, розсіяні промені утворюють систему коаксіальних конусів, загальною віссю яких є атомний ряд. Сліди конусів на площині, паралельної атомному ряду, - гіперболи, а на площині, перпендикулярній ряду, - кола.
При падінні променів під постійним кутом поліхроматичне (біле) випромінювання розкладається в спектр променів, відхилених під фіксованими кутами. Таким чином, атомний ряд є спектрографом для рентгенівського випромінювання.
Узагальнення на двовимірну (плоску) атомну решітку, а потім на тривимірну об'ємну (просторову) кристалічну решітку дає ще два аналогічних рівняння, в які входять кути падіння і відбиття рентгенівського випромінювання і відстані між атомами за трьома напрямками. Ці рівняння називаються рівняннями Лауе і лежать в основі рентгеноструктурного аналізу.
Амплітуди променів, відбитих від паралельних атомних площин складаються і тому кількість атомів дуже велике, відбите випромінювання можна зафіксувати експериментально. Умова відображення описується рівнянням Вульфа - Брегга2d sin q = nl, де d - відстань між сусідніми атомними площинами, q - кут ковзання між напрямком падаючого променя і цими площинами в кристалі, l - довжина хвилі рентгенівського випромінювання, n - ціле число, назване порядком відображення . Кут q є кутом падіння по відношенню саме до атомних площин, які не обов'язково збігаються за напрямком з поверхнею досліджуваного зразка.
Розроблено кілька методів рентгеноструктурного аналізу, що використовують як випромінювання з суцільним спектром, так і монохроматичне випромінювання. Досліджуваний об'єкт при цьому може бути нерухомим або обертовим, може складатися з одного кристала (монокристал) або багатьох (полікристал), дифрагованим випромінювання може реєструватися за допомогою плоскої або циліндричної рентгенівської плівки або переміщається по окружності детектора рентгенівського випромінювання, проте у всіх випадках при проведенні експерименту і інтерпретації результатів використовується рівняння Вульфа - Брегга.
Рентгеноаналіз в науці і техніці
З відкриттям дифракції рентгенівських променів в розпорядженні дослідників виявився метод, що дозволяє без мікроскопа вивчити розташування окремих атомів і зміни цього розташування при зовнішніх впливах.
Основне застосування рентгенівських променів у фундаментальній науці - структурний аналіз, тобто встановлення просторового розташування окремих атомів в кристалі. Для цього вирощують монокристали і проводять рентгеноаналіз, вивчаючи як розташування, так і інтенсивності рефлексів. Зараз визначено структури не тільки металів, але і складних органічних речовин, в яких елементарні осередки містять тисячі атомів.
У мінералогії методом ретгеноаналіза визначені структури тисяч мінералів і створені експрес-методи аналізу мінеральної сировини.
У металів порівняно проста кристалічна структура і рентгенівський метод дозволяє досліджувати її зміни при різних технологічних обробках і створювати фізичні основи нових технологій.
По розташуванню ліній на рентгенограмах визначають фазовий склад сплавів, по їх ширині - число, величину і форму кристалів, з розподілу інтенсивності в дифракційному конусі - орієнтування кристалів (текстуру).
За допомогою цих методик вивчають процеси при пластичній деформації, що включають в себе дроблення кристалів, виникнення внутрішніх напружень і недосконалостей кристалічної структури (дислокацій). При нагріванні деформованих матеріалів вивчають зняття напружень і зростання кристалів (рекристалізація).
При рентгеноаналізе сплавів визначають склад і концентрацію твердих розчинів. При виникненні твердого розчину змінюються міжатомні відстані і, отже, відстані між атомними площинами. Ці зміни невеликі, тому розроблені спеціальні прецизійні методи вимірювання періодів кристалічної решітки з точністю на два порядки перевищує точність вимірювання при звичайних рентгенівських методах дослідження. Поєднання прецизійних вимірювань періодів кристалічної решітки і фазового аналізу дозволяють побудувати кордону фазових областей на діаграмі стану. Рентгенівським методом можна також виявити проміжні стану між твердими розчинами і хімічними сполуками - впорядковані тверді розчини, в яких атоми домішки розташовані не хаотично, як в твердих розчинах, і в той же час не з тривимірною впорядкованістю, як в хімічних сполуках. На рентгенограмах упорядкованих твердих розчинів є додаткові лінії, розшифровка рентгенограм показує, що атоми домішки займають певні місця в кристалічній решітці, наприклад, в вершинах куба.
При загартуванню сплаву, який не зазнає фазових перетворень, може виникати пересичений твердий розчин і при подальшому нагріванні або навіть витримці при кімнатній температурі твердий розчин розпадається з виділенням часток хімічної сполуки. Це ефект стареніея і проявляється він на рентгенограмах як зміна положення і ширини ліній. Дослідження старіння особливо важливо для сплавів кольорових металів, наприклад, старіння перетворює м'який загартований алюмінієвий сплав в міцний конструкційний матеріал дуралюмин.
Найбільше технологічне значення мають рентгенівські дослідження термічної обробки стали. При загартуванню (швидкому охолодженні) стали відбувається Бездифузійний фазовий перехід аустенит - мартенсит, що призводить до зміни структури від кубічної до тетрагональної, тобто елементарна осередок набуває форму прямокутної призми. На рентгенограмах це проявляється як розширення ліній і поділ деяких ліній на дві. Причини цього ефекту - не тільки зміна кристалічної структури, а й виникнення великих внутрішніх напружень через термодинамічної нерівноважності мартенситной структури і різкого охолодження. При відпустці (нагріванні загартованої сталі) лінії на рентгенограмах звужуються, це пов'язано з поверненням до рівноважної структурі.
В останні роки велике значення придбали рентгенівські дослідження обробки матеріалів концентрованими потоками енергії (променями лазера, ударними хвилями, нейтронами, електронними імпульсами), вони зажадали нових методик і дали нові рентгенівські ефекти. Наприклад, при дії променів лазера на метали нагрівання та охолодження відбуваються настільки швидко, що в металі при охолодженні кристали встигають вирости тільки до розмірів в кілька елементарних осередків (нанокристали) або взагалі не встигають виникнути. Такий метал після охолодження виглядає як звичайний, але не дає чітких ліній на рентгенограмі, а відображені рентгенівські промені розподілені по всьому інтервалу кутів ковзання.
Після нейтронного опромінення на рентгенограмах виникають додаткові плями (дифузні максимуми). Радіоактивний розпад також викликає специфічні рентгенівські ефекти, пов'язані зі зміною структури, а також з тим, що досліджуваний зразок сам стає джерелом рентгенівського випромінювання.
Лев Миркин
