Кое-что о рентгеноструктурном анализе, электромагнитном излучении, рентгеновских лучах, их свойствах и дифракции

Глава 1КОЕ-ЧТО О РЕНТГЕНОСТРУКТУРНОМ АНАЛИЗЕ,ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ИЗЛУЧЕНИИ, РЕНТГЕНОВСКИХЛУЧАХ, ИХ СВОЙСТВАХ И ДИФРАКЦИИРентгеноструктурный анализ (РСA) является инструментом определения атомного строения кристаллов с помощью изучения результатов упругого рассеяниярентгеновских лучей этими кристаллами. При этом используются такие свойстварентгеновских лучей, как способность проникать вглубь вещества, рассеиватьсяэлектронами, а также высокая пространственная разрешающая способность рентгеновских лучей, обусловленная длиной, волны сопоставимой с межатомными расстояниями. Главным экспериментальным средством реализации РСA является дифракция рентгеновских лучей на кристаллах как на трехмерной дифракционнойрешетке. Теория метода представляет собой переплетение различных разделов физики, включая атомную физику, электродинамику, волновую и геометрическую оптикус кристаллографией, физикой и химией твердого тела, которые связаны воединоподчас довольно сложной математикой.

К настоящему времени эта теория оченьхорошо разработана, хотя и продолжает развиваться, особенно с появлением новыхисточников электромагнитного излучения рентгеновского диапазона, об одном изкоторых, синхротронном излучении, идет речь в данной книге. Для облегчения восприятия основного материала книги целесообразно освежить сведения об основныхпринципах, используемых для описания метода РСA и технических средств дляего реализации. Этому посвящена данная глава, которую читатель может считатьвводной. Здесь приводятся начальные сведения, которые необходимы для пониманиятеории дифракции и рассеяния рентгеновских лучей.

Читатель, хорошо помнящийбазовые сведения из общеобразовательных университетских курсов по физике, может пропустить данную главу и без ущерба перейти к чтению следующих разделов,где нам придется часто ссылаться на формулы, величины и понятия приведенные вданной главе.1.1. Электромагнитное излучение и рентгеновские лучиНадо сразу сказать, что для краткости в данной книге мы будем называть рентгеновскими лучами электромагнитное излучение с длиной волны меньше 100 Å, независимо от механизма их генерирования, в отличие от их классического определения,как электромагнитного излучения, возникающего при бомбардировке электронамиметаллического анода рентгеновской трубки 1).1)Границы области существования рентгеновских лучей весьма условны и часто определяются по-разному.

Например, в рентгеновской оптике или при рассмотрении синхротронногои ондуляторного излучений понятие рентгеновской области распространяют на электромаг-18Гл. 1. Кое-что о рентгеноструктурном анализеРентгеновские лучи были совершенно случайно открыты в 1895 году немецкимпрофессором Вильгельмом Конрадом Рентгеном, который сразу обнаружил два ихотличительных свойства: способность проникать через вещества, непрозрачные дляобычного света, а также различным образом ослабляться разными материалами исоздавать теневые изображения на фотопластинках. Довольно долго (около двадцатилет) велись споры об их природе: являются они неизвестными частицами иливолнами. Сегодня доподлинно установлено, что рентгеновские лучи и синхротронноеизлучение рентгеновского диапазона, о получении и применении которого пойдетречь в данной книге, это электромагнитное излучение, к которому относится видимый свет, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, радиоволны и т.

д. (см.диаграмму рис. 1.1).Рис. 1.1. Классификация электромагнитного излучения и рентгеновские лучи в этой классификацииСреди широкого спектра электромагнитного излучения рентгеновские лучи условно занимают диапазон длин волн λ короче ∼ 100 Å (или энергий фотонов hν больше∼ 0,12 кэВ). Излучение с λ 0,01 Å (энергией больше 1 МэВ) часто называютгамма-излучением, хотя термины рентгеновское излучение и гамма-излучение исходно появились, чтобы различать только природу возникновения электромагнитногоизлучения, а не его физическую сущность. Рентгеновские лучи генерируются внитное излучение с длинами волн вплоть до 1000 Å. При этом рентгеновскую областьчасто условно делят на диапазоны жесткого (0,1 Å < λ < 10 Å или по энергии фотонов1,24 кэВ < hν < 124 кэВ), мягкого (10 Å < λ < 300 Å или 414 эВ < hν < 1,24 кэВ) и ультрамягкого (300 Å < λ < 1000 Å или 12,4 эВ < hν < 414 эВ) рентгеновского излучения. Различиеэтих диапазонов в основном определяется разницей в оптическом поведении, механизмахпоглощения и величинах показателя преломления.

Рентгеновское излучение с длиной волныбольше 100 Å из-за низкой дифракционной разрешающей способности и высокого поглощенияв атмосфере для исследования атомной структуры веществ практически не применяется, арентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализы обычно ограничиваются диапазономжесткого рентгеновского излучения, согласно приведенной выше классификации.1.1. Электромагнитное излучение и рентгеновские лучи19рентгеновских трубках, тогда как гамма-излучение испускается при радиоактивномраспаде.

При одинаковой длине волны эти типы излучения обладают абсолютноодинаковыми свойствами и могут применяться для одних и тех же целей. Это жекасается синхротронного излучения в указанном диапазоне длин волн, хотя оно иможет обладать, как мы увидим в следующих главах, некоторыми интересными идаже уникальными свойствами, которых нет у излучения рентгеновских трубок.Так как свет и рентгеновские лучи одновременно обладают свойствами волн ичастиц, то их принято характеризовать либо длиной волны λ, обычно выражаемой вангстремах [Å] или нанометрах [нм] (1 нм = 10 Å = 10−9 м) , либо энергией фотоновε, выражаемой в электрон-вольтах [эВ]. Между этими характеристиками существуетстрогое соответствие, следующее из формулы Планка ε = hν,λ = c/ν = hc/ε,(1.1)где ν обозначает частоту колебаний электромагнитной волны [c−1 ], постояннаяПланка 1) h = 6,626 · 10−34 Дж · c, скорость света c = 2,998 · 108 м/с.

Учитывая чтоэнергию быстрых частиц и фотонов принято измерять в единицах [электрон-вольт]и что один электрон-вольт равен 1,602 · 10−19 Дж, формулу (1.1) можно записать вудобном для вычислений виде связи между длиной волны и энергиейλ [Å] = 12,398/ε [кэВ].(1.2)На практике при работе с рентгеновскими лучами и синхротронным излучениемдовольно часто приходится пользоваться обеими характеристиками излучения: идлиной волны, и энергией. Для сравнения этих единиц и перехода от одной к другойудобно представить равенство (1.2) в виде графика (Приложение, рис.

6.2), которыйможет быть полезен, если не требуется высокой точности.Сегодня известно, что рентгеновские лучи обладают всеми физическими свойствами характерными для видимого света, т. е. волновыми свойствами, к которымможно отнести• прямолинейное распространение со скоростью света;• прохождение через некоторые вещества;• преломление на границах раздела сред;• отражение и рассеяние на препятствиях;• интерференция и дифракция;• поляризация при рассеянии или прохождении через вещество;а также свойствами, которые можно объяснить только корпускулярной природой, ккоторым относятся:• поглощение (ослабление) веществами;• способность вызывать фотоэффект (выбивание фотоэлектронов из облучаемоговещества).1)Универсальная константа, обозначаемая символом h и называемая постоянной Планкаh = 6,626176 · 10−27 эрг · c (или 4,133 · 10−15 эВ), была введена в 1900 году немецким физикомМаксом Планком.

В своей лекции при вручении ему Нобелевской премии по физике в1918 г. М. Планк назвал величину hν минимальным количеством энергии, которое может бытьиспущено при частоте колебаний ν. Эта величина объясняет, почему свет может излучатьсятолько квантами (фотонами), энергия которых определяется, как ε = hν. В данном случаечастота является величиной целочисленной, поэтому увеличение энергии фотона может происходить лишь порциями (квантами) пропорциональными величине h. Тем самым было положеноначало развитию квантовой физики. В атомной и ядерной физике часто применяют величинуh̄ = h/2π = 1,0545887 · 10−27 эрг · c.20Гл.

1. Кое-что о рентгеноструктурном анализеОднако эти свойства у рентгеновских лучей сильно отличаются от свойств видимогосвета, причем это отличие тем сильнее, чем больше разница в длинах волн рентгеновских лучей (энергии рентгеновских фотонов) и видимого света. Для жесткогорентгеновского излучения разница в поведении рентгеновских лучей и света огромна.В частности, дифракционный предел 1), характеризующий предельную разрешающую способность электромагнитных волн при наблюдении (зондировании) объектов,для рентгеновских лучей сравним с размерами самых маленьких атомов, тогда какдля видимого света он составляет всего 0,4–0,8 мкм. Поэтому рентгеновские лучиспособны «видеть» атомы веществ, а свет их не различает.

Как и видимый свет, рентгеновские лучи рассеиваются электронной плотностью атомов, испытывая при этоминтерференцию и дифракцию, но характер этого рассеяния в случае рентгеновскихлучей своеобразен. Фотоны рентгеновского излучения также способны вызыватьфотоэффект при взаимодействии с веществами, но, поскольку энергия рентгеновскихфотонов в тысячи раз выше, чем у фотонов видимого света, то фотоэффект, в случаерентгеновских лучей тоже сильно отличается от фотоэффекта в лучах видимогосвета.Для понимания тем следующих глав нам придется рассмотреть особенностинекоторых из отмеченных выше корпускулярных и волновых свойств рентгеновскихлучей подробнее.