طیف بینی پراش پرتوایکس، XRD

 

طیف­ بینی پراش پرتوایکس

روش پراش پرتوایکس (XRD)، در زمین ­شناسی مناسب­ ترین روش برای شناسایی کانی­های موجود در نمونه­ و تعیین ساختار بلوری مواد جامد است. شرط تحقق پراش پرتوایکس را می‌توان با بررسی پراش یک پرتو تکفام برخورد‌کننده به صفحه‌ای از اتم­ها یا یون­ها در یک کانی توصیف کرد (شکل ۱).

شکل ۱- پراش پرتوایکس از سطوح یک بلور.

 

خطوط AD و CD به‌ترتیب بر پرتو اولیه و پرتو پراکنده شده عمود است. پرتو پراکنده شده از صفحه P2 باید مسافتی به‌اندازه ABC را بیشتر از پرتو پراکنده شده از صفحه P1 طی کند. از آنجا که زوایای ADB و BDC برابر با زاویه برخورد و پراش، یعنی θ است، می ­توان معادله ­های زیر را نوشت، که در آن d فاصله بین سطوح بلور است:

 

امواج ناهم­فاز پس از پراش تداخل تخریبی دارند و در نتیجه، توسط آشکارساز، مشاهده نخواهند شد. فقط امواج هم­فاز تقویت شده و توسط آشکارساز، مشاهده می‌شوند. این موضوع زمانی اتفاق می‌افتد که ABC مضرب صحیحی از طول موج نور اولیه یا λ باشد. لذا می­توان معادله زیر نوشت.

که در آن n مرتبۀ الگوی پراش، اعداد صحیح، است. اگر n یک باشد، پرتو پراکنده شده درجه اول نامیده می‌شود. درجات بالاتر پرتو پراکنده شده دارای شدت کمتری خواهند بود. معادله فوق، قانون براگ نامیده می‌شود. براگ نشان داد که پرتوهای ایکس حاصل از پراش همانند موج یا نوری عمل می‌کنند که از سطوح درونی بلورها بازتاب می‌شوند، ولی بازتابش پرتو ایکس برخلاف نور به‌صورت پیوسته نیست. برای پرتو ایکس با طول­موج معیّن، پراش فقط به‌ازای مقادیر معین θ (که تابع d است) مشاهده خواهد شد. این مقادیر θ را می‌توان با چرخاندن بلور و اندازه‌گیری زاویه پرتوهای پراکنده شده نسبت به زاویه پرتو برخورد‌کننده تعیین کرد. بدین‌ترتیب، فاصله بین صفحات d را می‌توان محاسبه کرد. چنانچه فاصله d در بلور معلوم باشد، زاویه‌ای که تحت آن پرتوایکس پراکنده می‌شود را می‌توان تعیین کرد.

روش کار: در مطالعات پراش پودری پرتوایکس، نمونه اولیه تا آنجا که ممکن است پودر شده و سپس برای استفاده در روش­هایی که از فیلم استفاده می‌شود درون یک میله شیشه‌ای بسیار ظریف قرار می‌گیرد. در روش­های پراش‌سنجی پودری، نمونه پودر شده روی یک تیغه شیشه‌ای چسبانده و یا در یک نگه­دارنده نمونه مربع مستطیلی مخصوص قرار داده می‌شود. ذرات بلورین موجود در نمونه پودر شده باید از جهت‌گیری کاملاً اتفاقی برخوردار باشند. برای حصول اطمینان از جهت‌گیری اتفاقی این ذرات ریز نسبت به شعاع پرتوایکس، معمولاً دستگاه به‌نحوی طراحی می‌شود که نمونه به‌طور خودکار در هنگام تابش پرتوایکس بچرخد.

وقتی باریکه پرتوایکس تکفام به نمونه برخورد می‌کند، تمامی پراش­های ممکن به‌طور همزمان روی می‌دهند. اگر جهت‌گیری ذرات بلورین موجود در نمونه آماده شده واقعاً اتفاقی باشد، برای هر گروه از صفحات اتمی با فاصله میان صفحه‌ای معین d ذرات بسیاری وجود خواهند داشت که جهت‌گیری آن­ها به‌نحوی باشد که زاویه تتای مناسب با باریکه برخوردی بسازند، به‌طوریکه فرمول براگ را بتوان در مورد آن­ها نوشت. حداکثر پراش از مجموعه‌ای از صفحات داده شده، مخروط­هایی را می‌سازند که باریکه پرتو برخوردی محور آن­هاست و زاویه داخلی آن­ها θ۴ است. هر مجموعه از صفحات اتمی یک سری از مخروط­های تودرتو ایجاد می‌کند که معادل بازتابش­های اولین، دومین، سومین و مرتبه‌های بالاتر (۱,۲,۳,…=n) است. گروه­های مختلف صفحات با فواصل میان صفحه‌ای متفاوت با مقادیر مناسب θ برای مقادیر متفاوت n از قانون براگ تبعیت می‌کند و در نتیجه، منجر به ایجاد مجموعه‌های منفرد از مخروط­های تودرتو از پرتوهای بازتابیده می‌شوند. اگر پرتوهای سازنده این مخروط­ها روی یک صفحه عکسبرداری تخت انداخته شود به‌طوری­که صفحه عکسبرداری عمود بر شعاع پرتو برخوردی باشد، مجموعه‌ای از دوایر هم مرکز به‌دست خواهد آمد (شکل ۲) که اساس عکسبرداری پودری پرتوایکس است. به این ‌ترتیب فقط بازتابش­های با مقادیر کم زاویه θ۲ را می‌توان ثبت کرد.

شکل ۲-  تصویر پراش پرتوایکس حاصل از برخورد باریکه پرتوایکس با یک نمونه پودری که روی صفحه‌ای تخت چسبانده شده است.

 

برای ثبت همه مخروط­ های پراش احتمالی که ممکن است در سه بعد روی دهند روشی موسوم به روش فیلمی به‌کار می‌رود که در آن یک فیلم عکاسی در درون یک دوربین استوانه‌ای جای می‌گیرد. این دوربین موسوم به دوربین پودری یا دبای- شرر است که در آن فیلم عکاسی به‌طور کامل در انحنای داخلی دوربین قرار می‌گیرد.

 

پراش‌سنج پودری پرتوایکس

در گذشته روش دوربین پودری به‌طور گسترده برای شناسایی ساختارهای بلوری استفاده می‌شد ولی امروزه از پراش‌سنج پودری پرتوایکس استفاده می‌شود. در این روش از پرتوایکس تکفام استفاده می‌شود. برای کار با پراش‌سنج پودری ابتدا نمونه آسیاب و به پودر بسیار ریزدانه تبدیل می‌شود. سپس پودر را به‌صورت یکنواخت روی سطح یک تیغه شیشه‌ای پخش کرده و با استفاده از مقدار اندکی چسب آن‌ را ثابت می‌کنند. اگر نمونه به‌اندازه کافی زیاد باشد می‌توان آن ‌را درون یک نگه­دارنده فشرده و به­صورت قرص مورد استفاده قرار داد. دستگاه به‌نحوی طراحی شده است که نمونه وقتی در محل خود ثابت شد، در مسیر پرتوایکس چرخیده و همزمان یک آشکارساز پرتوایکس که بر روی یک بازو قرار دارد نیز همراه با آن حرکت می‌کند تا علامت­های پرتوایکس پراش یافته را جمع‌آوری کند (شکل ۳). هنگامی که دستگاه در موقعیت صفر تنظیم شده است، باریکه پرتوایکس به‌موازات سطح نمونه است و بدون آنکه با نمونه برخورد کند مستقیماً به آشکارساز می‌رسد. نمونه و شمارشگر به‌وسیله یک موتور و با سرعت­های متفاوت حرکت می‌کنند به‌طوریکه وقتی نمونه باندازه θ می‌چرخد، آشکار‌ساز به‌ اندازه θ۲ حرکت می‌کند.

شکل ۳- طرح ساده شده‌ای از یک پراش‌سنج پودری پرتوایکس. در این تصویر دستگاه نگه­دارنده نمونهبه اندازه θ درجه چرخیده است.

در حالی­که بازوی آشکارساز به اندازهθ ۲ جابه جا شده است.

 

اگر نمونه به خوبی آماده شده باشد حاوی هزاران ذره بلورین بسیار کوچک با جهت‌گیری اتفاقی خواهد بود. در اینجا نیز همانند روش عکسبرداری پودری همه بازتابش­های ممکن از صفحات اتمی به‌طور همزمان روی می‌دهد، ولی به‌جای ثبت بازتابش­ها بر روی فیلم، آشکارساز پرتوایکس رابطۀ هندسی مناسب برای رسیدن هر پراش بیشینه را به‌طور جداگانه فراهم می‌کند. در حین کار، نمونه، آشکارساز پرتوایکس و ابزار ثبت­کننده به‌طور همزمان فعال هستند. اگر یک صفحه اتمی دارای فاصله میان صفحه‌ای d باشد به‌طوری­که بازتابش در °۲۰= θ روی دهد، اثری از این بازتابش مشاهده نمی‌شود، مگر آن­که لولۀ شمارشگر به اندازه θ۲ یا ۴۰ درجه چرخیده باشد. در این نقطه پرتو پراش یافته وارد آشکارساز پرتو ایکس شده و به‌صورت یک علامت ثبت می‌شود. علامت ایجاد شده تقویت می‌شود و شدت آن که نماینده ارتفاع قله است بر روی محور عمودی ثبت می‌شود. زاویه θ۲ که در آن پراش روی می‌دهد نیز روی محور افقی خوانده می‌شود. ارتفاع قله‌ها نسبت مستقیم با شدت اثرات پراش دارد.

 

 

منبع: کتاب روشهای آنالیز دستگاهی، تألیف دکتر محمود پایه قدر- دکتر جواد مقدسی

استفاده از مطالب با ذکر منبع بلامانع است

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.