Дипломная работа Дифракция рентгеновских лучей, как основа рентгеноструктурного анализа (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа-Югры»

Политехнический институт

Кафедра экспериментальной физики

Дипломная работа

ДИФРАКЦИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ,

КАК ОСНОВА РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА

Дипломная работа

студента 4 курса

______________________

Научный руководитель:

_____________________

Сургут, 2015 г.

Содержание:

Глава I. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

1.1. Ослабление излучения слоем вещества

1.2. Элементарные акты взаимодействия излучения с веществом

1.2.1. Фотоэлектрический эффект.

1.2.2. Комптон-эффект.

1.3. Когерентное (классическое) рассеяние рентгеновского излучения.

1.4. Линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения

Глава II. Дифракция рентгеновского излучения

2.1 Условие Брэгга-Вульфа

2.2 Принципы дифракции рентгеновского излучения

Глава III. Рентгеноструктурный анализ

Глава IV. Алюминиевые сплавы

4.1. Сплавы на основе алюминия.

4.2 Система Al-Cu

Глава I. Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом

1.1. Ослабление излучения слоем вещества

Интенсивность излучения, прошедшего через слой любого вещества, всегда оказывается меньше первоначального значения – излучение ослабляется веществом. Для количественной оценки ослабления рассмотрим узкий пучок лучей (рис.1), падающих перпендикулярно на слой вещества толщиной d. Интенсивность лучей на облучаемой поверхности тела обозначим I0, а прошедших через него – Iα.

Относительное уменьшение интенсивности в элементарном слое, отстоящем на расстоянии x от поверхности облучаемого тела, пропорционально толщине dx этого слоя:

,

где Ix – интенсивность лучей, падающих на элементарный слой; μ – коэффициент пропорциональности.

Интегрируя это соотношение, получим:

откуда:

,,,,,,,,, (1)

Эта формула позволяет определить интенсивность излучения, прошедшего через слой вещества толщиной d. На основании первоначального соотношения можно записать:

.

Введенное выражение показывает, что коэффициент m показывает относительное уменьшение интенсивности на единице пути лучей в веществе. Он называется линейным коэффициентом ослабления и зависит от длины волны излучения l, порядкового номера Z и плотности r вещества поглощающего тела.

Рассмотрим физические процессы, происходящие при взаимодействии фотонов с веществом и приводящие к ослаблению излучения.

1.2. Элементарные акты взаимодействия излучения с веществом

Ослабление излучения веществом происходит в результате поглощения и рассеяния. При поглощении энергия рентгеновского излучения преобразуется в другие виды энергии. При рассеянии направленный пучок излучения преобразуется в лучи, распространяющиеся по различным направлениям.

Основными элементарными процессами, приводящими к поглощению излучения при энергии фотонов hν < 1 МэВ, являются фотоэлектрический эффект и комптон-эффект.

1.2.1. Фотоэлектрический эффект.

При фотоэффекте происходит поглощение фотонов атомами вещества. Фотон исчезает, а из атома освобождается фотоэлектрон с кинетической энергией Wкин, величина которой определяется законом Эйнштейна:

,

где Wq – работа вырывания электрона с q-ого уровня атома.

При достаточно большой энергии первичного фотона hν может произойти вырывание электрона с К – оболочки атомов вещества. Такой электрон называется фотоэлектроном I рода. На освободившееся место в К – оболочке перейдет электрон с вышележащей L – оболочки. При этом атом испустит фотон характеристического излучения:

hνKα= WK – WL, где WK и WL – работы вырывания электронов с К – и L – оболочек. Свободное место в L – оболочке будет заполнено электроном с M – оболочки, в результате чего атом испустит еще один фотон характеристического излучения hνLα и т. д.

Такие образом, в результате поглощения первичного фотона в атоме будет происходить каскад переходов электронов с выше – на нижележащие уровни, сопровождающийся эмиссией фотонов характеристического излучения, которое называется флуоресцентным. Это название подчеркивает, что характеристические лучи возникли при облучении вещества фотонами, а не электронами.

Возможен и другой механизм фотоэффекта, при котором фотоны hνKα, hνLα и т. д., возникающие в результате поглощения первичного фотона в К – оболочке, не покидают атом, а поглощаются в нем самом. Фотон hνKα поглощается в L – оболочке, а фотоны hνLα в М –оболочке. Их поглощение приводит к вырыванию из соответствующих оболочек фотоэлектронов, кинетическая энергия которых Wкин’ и Wкин’’ не зависит от энергии первичного фотона. Эти фотоэлектроны называются фотоэлектронами П рода шеи Оже – электронами. Действительно, при поглощении фотона hνKα в L – оболочке возникает Оже – электрон с кинетической энергией

Таким образом, кинетическая энергия Оже – электронов зависит только от рода испустивших их атомов.

Фотоэффект с испусканием флуоресцентного излучения (простой фотоэффект) характерен для тяжелоатомных веществ, а с испусканием Оже – электронов (сложный фотоэффект или Оже – эффект) - для легкоатомных.

Измерив длины волн фотонов флуоресценции или кинетические энергии Оже – электронов, можно определить каким атомам эти частицы принадлежат, т. е. определить химический состав вещества.

1.2.2. Комптон-эффект.

При взаимодействии фотонов большой энергии с практически свободными электронами вещества (рис. 2) фотон передает часть своей энергии Wкин электрону (он называется электроном отдачи), а оставшаяся часть энергии в виде электромагнитного излучения – фотона рассеяния . Поскольку hνS < hν, то λS>λ, т. е. длина волны фотона рассеяния больше длины волны первичного фотона. Такой процесс носит название Комптон-эффекта или некогерентного рассеяния. При Комптон-эффекте, таким образом, часть энергии первичного фотона переходит в кинетическую энергию электрона отдачи, а часть – в энергию фотона рассеяния.

Наряду с комптоновским рассеянием, при котором длина волны рассеянного излучения увеличивается, наблюдается рассеяние с неизменной длиной волны. Оно носит название когерентного и описывается в рамках классической теории.

1.3. Когерентное (классическое) рассеяние рентгеновского излучения.

По представлениям классической электродинамики процесс рассеяния сводится к следующему. Под действием электрического поля волны рентгеновского излучения электроны атомов рассеивающего вещества приходят в колебательное движение. Гармонически колеблющийся электрон становится источником сферической электромагнитной волны, частота которой равна частоте колебаний электрона, т. е. частоте первичных рентгеновских лучей, а фаза противоположна фазе первичных лучей. Электромагнитные волны, излучаемые колеблющимся электроном, и представляют собой рассеянное рентгеновское излучение. Классическое рассеяние рентгеновских лучей происходит, следовательно, без изменения длины волны первичного излучения.

Рассмотрим волну неполяризованного рентгеновского излучения, распространяющуюся в направлении, определяемом единичным вектором и действующим на один из электронов атома, который находится в точке 0 (рис.3).

Найдем интенсивность рассеянного электроном рентгеновского излучения в направлении единичного вектора в точке А(R, 2υ). Угол 2υ между векторами и называется углом рассеяния. Введем прямоугольную систему координат таким образом, чтобы вектора и лежали в плоскости xz. Так как вектор напряженности электрического поля первичного излучения перпендикулярен , то очевидно, что лежит в плоскости yz.

Под влиянием напряженности электрон получает ускорение