Rentgendifraktometrija

Rentgendifraktometrija jeb rentgenstruktūranalīze ir kristalogrāfijas metode, kurā iegūst un analizē rentgenstaru difrakcijas ainu kristālos, lai noteiktu kristālrežģa īpašības. Kristālrežģa starpplākšņu attālumus nosaka pēc Brega likuma. Rentgenstarus izkliedē (difraģē) ap atomiem esošie elektroni, nevis paši atomu kodoli.

Eksistē vairākas rentgendifraktometrijas metodes. Lai noteiktu nezināmas vielas struktūru, parasti cenšas lietot monokristālu metodes, jo to datu atšifrēšana ir vienkāršāka, taču ne visām vielām var iegūt pietiekoši lielus monokristālus un tad nākas lietot pulveru metodes. Lai noteiktu vielas (maisījuma) fāzu sastāvu, parasti vienmēr lieto pulvera metodi. Visas rentgendifraktometrijas metodes, pēc pielietojuma, var iedalīt 3 grupās:

• monokristālu difraktometrija - lieto monokristālus, 2D detektorus; izmanto nezināmu vielu struktūras noteikšanai;
• rentgentopogrāfija - lieto defektu noteikšanai monokristālos (galvenokārt pusvadītāju rūpniecībā);
• polikristālu rentgendifraktometrija - lieto polikristālisku maisījumu fāzu sastāva noteikšanai, kā arī ierobežotai vielas struktūras noteikšanai (visplašāk lietotā metode).

Rentgendifraktometrijā paraugu apstaro ar rentgenstariem un mēra caurgājušā vai atstarotā starojuma intensitāti atkarībā no atstarošanas leņķa. Rentgenstarojumu parasti iegūst ar rentgenlampām. Leņķus starp rentgenstarojuma avotu, paraugu un starojuma detektoru mēra ar goniometru. Par starojuma detektoru agrāk lietoja fotofilmu, un šādu metodi sauc par rentgenogrāfiju. Filma ir divdimensionāla, taču relatīvi mazjutīga. Vēlāk sāka lietot kvantu skaitītājus (gāzizlādes skaitītājus) un scintilācijas skaitītājus. Tie ir ievērojami jutīgāki. Scintilācijas detektors sastāv no scintilatora kristāla, kas spīd (izstaro redzamo gaismu), ja to apstaro ar rentgenstariem. Viens rentgenstarojuma kvants var radīt vairākus redzamās gaismas kvantus, atkarībā no enerģijas.

Brega likums

Brega likums (precīzāk - Bregu likums) ir sakarība, kuru 1912. gadā atklāja V. H. Bregs un V. L. Bregs. Šis likums pirmo reizi apstiprināja reālu, atomāra izmēra daļiņu eksistenci. Rentgenstaru fotons, ietriecoties vielas atomā, izraisa sekundāro emisiju ar tādu pašu frekvenci (elastīgā izkliede (dispersija)). Sekundāri izstarotie viļņi interferē cits ar citu, veidojot difrakcijas ainu. Rentgenstaru viļņu garumi ir salīdzināmi ar starpatomu attālumiem kristālos (~150pm). Interferences iedarbībā izkliedētā starojuma intensitāte pastiprinās, ja fāžu nobīde ir proporcionāla 2π. Šo nosacījumu apraksta Brega likums:

$n\lambda =2d\sin(\theta )\,$

kur:

• n - vesels skaitlis;
• λ - rentgenstaru viļņa garums;
• d - kristāla starpplākšņu attālums (tādās pašās mērvienībās, ka λ);
• θ - leņķis starp ienākošo starojumu un kristālrežģa plakni.

Atkarībā no 2θ leņķa, fāžu nobīde izraisa intensitātes palielināšanos (pa kreisi), vai samazināšanos (pa labi).

Monokristālu metodes

Laues metode. Lieto nekustīgu monokristālu un balto rentgenstarojumu. Nepieciešams 2D detektors.

Rotējošā kristāla metode. Lieto rotējošu vai svārstošu monokristālu un monohromatisku rentgenstarojumu. Nepieciešams 2D detektors.

Debaja metode (pulvera metode)

Šeit lieto polikristālu vai pulverī saberztu monokristālu un monohromatisku rentgenstarojumu.