Рентгенівські методи визначення розмірів нанокристалів

ІНШІ ЧИННИКИ, ЩО ВПЛИВАЮТЬ НА ВИЗНАЧЕННЯ РОЗМІРІВ ЧАСТОК

Ефективне розподілення розмірів частинок. У всіх розглянутих вище методах передбачається, що всі частки лише одного розміру і форми. Паттерсон продовжив обчислення Лауе, узагальнивши їх для випадку часток різних розмірів, але однакової геометричної форми. Він знайшов, як і слід було чекати, що, користуючись рівнянням Лауе, ми визначаємо не середні розміри часток, а розміри тієї частки, яка давалаби лінії середньої ширини. Звичайно, при вузької області розподілу часток по величині ці розміри близькі один до одного, але при складних розподілах неможливо встановити зв'язок між ними, якщо невідома функція розподілу.

Ефект орієнтації. Б.Л.Брегг показав, що за наявності часткового впорядкування часток формула Шеррера залишається незмінною. Треба думати, що будь-якими з вище розглянутих методів можна скористатися для визначення розмірів часток речовини з переважною орієнтацією часток

Деформація Решітки.  Вплив деформації грат на розширення ліній загальновідомо. Проте потрібно відзначити, що розширення ліній, викликане деформацією грат, не можна сповна відокремити від розширення ліній, обумовленого розмірами часток. Тому можливість  помилок, викликаних спотвореннями грат, завжди має бути взята до уваги при визначенні розмірів часток.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ПЕРЕВІРКА ТЕОРІЇ І ЇЇ ПРАКТИЧНІ ЗАСТОСУВАННЯ

Область розмірів часток, які можуть бути виміряні по методу розширення ліній, тягнеться приблизно від 10  ДО ''1000А°. Таким чином прикладеність цього методу починається приблизно там,де лежить нижня межа мікроскопічних вимірів, і закінчується там, де частки настільки малі, що містять лише декілька кристалічної плоскості (Брілль стверджує, що він вимірював діффракционниє лінії», що вийшли від розсіяння 3—5 атомними шарами). Багато вельми важливих для промисловості матеріалів мають розміри часток, лежачі в цій області, наприклад: целюлоза, каучук, сажа, графить, колоїдні метали. Визначення розмірів часток в цій області для речовин може бути виконане за допомогою ультрацентрифуг, ультрамікроскопа іїзмереній осмотичного тиску. Трохи чисельні автори, що ставили своїм завданням перевірити описані теорії, знайшли задовільний збіг між вимірами рентгенівським методом і іншими вимірами. Для того, щоб метод Шеррера можна було застосувати, потрібний в ідеальному випадку паралельний пучок і непоглинаючий зразок у формі циліндрової палички. Перше з цих двох умов, паралельно стьпучка, зовсім не здійснюється в звичайній дебайе-шеррерової установці. Генстенберг і Марк знайшли, що навіть якщо поставити камеру на відстані 60 см від рентгенівської трубки, ефект расходімості пучка залишається помітним. Це відхилення пучка від паралельності  особливо поважно мати зважаючи на при визначенні розмірів крупних частинок, коли розширення ліній невелике.

     Щоб виключити можливі помилки, бажано зробити контрольний знімок  із зразка тогоже складу, про  розміри часток якого відомо, що вони дуже великі (большечем 10см), щоб впливати на ширину  ліній. Якщо при цьому ширина  діффракционних. ліній залишиться  однаковою для всіх кутів, то  ми маємо надійні підстави  для вживання рівняння Шеррера

      Не дивлячись на різні заперечення  проти методу Шеррера, досить  переконливо було показано, що  у багатьох випадках, зокрема  для речовин з дуже малими  розмірами часток з високою  атомною вагою, цей метод також  придатний, як і який-небудь інший.

     Велика перевага методу Лауе  і заснованих на нім методів  полягає в тому, що цим методом  можна вивчати не лише розміри  часток,  але іїх форму. Генстенберг  і Марк застосовували метод  Лауе для виміру розмірів часток  натуральної целюлози, штучного  шовку і каучуку. Вони знайшли  у волокнах рамі міцели приблизно 55 А° ширини, стільки ж товщини  і завдовжки, принаймні, в 20 разів  більше. Волокна віскозного шовку  мали трохи менше поперечне  соченіє і були майже в два  рази коротше. Частки каучуку  представлялися у формі прямокутних  брусків з найменшими размерамі—  в 180 А°.Гофман і Вільм досліджували  розміри і форму частинок  вуглецю, приготованих декількома різними  способами, — графіт реторти, вуглець, отриманий з окисиуглерода, бензолу, ацетилену. Крім того, вони досліджували  декілька активованого деревного  вугілля. Вони не знайшли жодних  доказів існування аморфного  вуглецю, навпаки, всі досліджувані  речовини мали структуру графіту, розміри часток якого варіювалися  в межах від 14А   до максимального 196 А. Наїменьшимі виявилися частки.

   У тому випадку, коли зразок  може бути виготовлений у формі  порожнистого циліндра, перший метод  Брілля і Пельцера є відносно  простим і має всі переваги  перед методом Лауе. Автори цього  методу повідомили результати  вимірів часток окис і магнію  і фтористого літію. Камерон  досліджував  окисел магнію, двоокис титану, срібло, золото, але йому неудалось отримати  задовільні рентгенограми  для  щільніших речовин. По цьому він  прийшов до висновку, що перший  метод Брілля і Пельцера. Метод  повного поглинання Брілля і  Пельцера є, ймовірно, найбільш прийнятним  в експериментальному відношенні, оскільки він володіє всіма  перевагами попередніх методів і може бути застосований для будь-якої тонко подрібненої речовини, незалежно від того, як воно поглинає рентгенівські промені. Брілль і Пельцер застосували цей метод при вивченні електролітично обложеного нікелю. Камерон опублікував результати вимірів часток колоїдної платани, які,  проте, в разі малих часток мало відповідали теоретичним кривим.

    Зважаючи на вказані теоретичні  і експериментальні недоліки  існуючих теорій, а також унаслідок  неточності фотографічного  виміру  ітенсивностей треба думати, що  дійсні розміри часток можуть  відрізнятися від знайдених в IV—2раза,крісталли насправді можуть  виявитися в IV— 2разабольше або  менше. Відносні виміри розмірів  схожих зразків, поза сумнівом, можуть  бути  виконані із значною більшою  точністю; в кращому разі, ймовірно, з точністю до 10 %.

     Яким методом краще всього  скористатися, це залежить від  роду досліджуваної речовини  і вимог, що пред'являються. В деяких  випадках можна вважати достатнім  розташувати серію зразків з  однієї і тієї ж речовини  в ряд по зростаючих розмірах  часток. Тоді особливості застосовуємо  го методу і характеру рентгенівського  пучка не мають  великого значення, аби умови залишалися постійними  для всіх зразків серії.

   Недавно  Варрей повідомив про вироблені  їм виміри над малими кутами  розсіяння для речовин з дуже  малими розмірами часток (біля 10А). Цей ефект не залежить від  структури часток і представляє  можливість виміру розмірів часток  в дуже цікавої області.

1.2 Короткий історичний нарис про авторів рентгенівського методу визначення розмірів мікрооб эктів

Петер Джозеф Вільям Дебай

24 березня 1884, лауреат Нобелівської премії з хімії за 1936 рік.

З іменем Дебая пов'язана низка визначних досягнень в теоретичній й експериментальній фізиці, фізичній хімії, математиці. Він запропонував модель твердого тіла, на основі якої пояснив поведінку питомої теплоємності за низьких температур; характерна температура, нижче за яку істотного значення набувають квантові ефекти, отримала назву температури Дебая. Він теоретично описав вплив теплових коливань кристалічної ґратки на дифракцію рентгенівських променів (фактор Дебая — Валлера), спільно з Паулем Шеррером розробив порошковий метод рентгеноструктурного аналізу і використав методи рентгенівського розсіювання для дослідження структури рідин і окремих молекул. Дебай вперше спостерігав дифракцію світла на ультразвуці і використав метод розсіювання світла для дослідження структури молекул (зокрема полімерів) і критичних явищ. Він розвинув дипольну теорію діелектриків, на основі якої пояснив їх дисперсійні властивості і деякі аспекти міжмолекулярних взаємодій. Спільно з Еріхом Хюккелем він розробив теорію слабких розчинів сильних електролітів, на основі якої пояснив залежність коефіцієнтів активності і провідності від концентрації. Серед інших досягнень Дебая — розробка методу перевалу для обчислення деяких інтегралів спеціального вигляду; новий спосіб виведення формули Планка; створення квантової теорії нормального ефекту Зеемана; теоретичне обґрунтування ефекту Комптона, винайдення нового способу досягнення низьких температур методом адіабатичного розмагнічування.

Пауль Шеррер

 (3 лютого 1890),  швейцарський фізик-експериментатор. Народився у Герізау, Швейцарія. Навчався в Цюріху, Кеніґсберзі, Ґеттінгені (Німеччина). Став головою фізичного факультету Швейцарського федерального інституту технології.

Життя і творчість

Шеррер спочатку почав навчатися ботаніки у 1908 в Цюріху, проте через два семестри змінив дисципліну на фізику і математику. У 1912 він переїхав на один курс в Кеніґсберг, а закінчив навчання в Ґеттінгені. У 1916 в Ґеттінгені він захистився під керівництвом П. Дебая на ступінь доктора наук на тему «Ефект Фарадея в молекулі водню». У той же час він розробив метод порошкової дифракції разом з П. Дебаєм, який згодом отримав назву метод Дебая-Шеррера. У 1918 написав рівняння для визначення розмірів частинок порошку по розширенні рентгенівських ліній дифракції. Шеррер отримав у Ґеттінгені посаду приват-доцента, а у 1920 отримав звання професора в ETH у Цюріху. У 1927 він став головою Інституту експериментальної фізики. У 1930-і Шеррер почав спеціалізуватися в ядерній фізиці, ставши в 1946 президентом Schweizerischen Studienkommission für Atomenergie — швейцарської Комісії з дослідження ядерної енергії. У 1954 взяв участь в заснуванні ЦЕРНу. З 1958 року стає головою швейцарської комісії з атомних наук. У 1960 стає професором — емеритом.

Уолтер (Волт) Паттерсон

Народився 4 листопада 1936р. Британська канадський фізик і широко опубліковані письменник і борецьзаенергетиці. Паттерсон народився у Вінніпегу, Манітоба, Канада, і отримав освіту в університеті Манітоби. Паттерсон прибув в Сполучене Королівство в 1960 році. Навчання як фізик-ядерник, Паттерсон провів все своє життя, вчити, писати і агітації. В 1972 році, він подружився земної енергії першої служака (1972-78) в їх Лондонському офісі. У 1984-5, Паттерсон виступав в якості радника серія нагородами Бі-бі-сі  
Паттерсон опубліковано тринадцять книг і сотні статей, статті і огляди, ядерної енергетики, технології видобутку і переробки вугілля, використання відновлюваних джерел енергії, енергетичних систем, енергетичної політики та електрику. Його остання книга, підтримання їх в робочому стані: на шляху до сталого електроенергії опублікувало Видавництво earthscan в 2009 році і надає практичні "дорожні карти" з виробництва електроенергії, постачання і використання. 
З 1991 року він був членом того, що зараз в енергетиці, довкіллю та програмою розвитку на Чатем-Хаус в Лондоні. Він також є науковим співробітником енергетичного Інституту, Лондон, і запрошений науковий співробітник науково-дослідного відділу політики в університеті  Сассекса.

Рентгенівський дифрактометр

2 . Схема Брегга-Брентано

Рис. 3. Схема фокусировки лучей в рентгеновском гониометре по Брэггу — Брентано для исследования поликристаллических образцов; F — фокус рентгеновской трубки; O — плоский образец; D — щель счетчика; C — счетчик; 2θ — угол отражения.

3.Гоніометр

Гоніо́метр  – прилад для вимірювання кутів між плоскими гранями твердих тіл, наприклад, кристалів. Складається з двох насаджених на загальну вертикальну вісь закритих металевих циліндрів різного діаметра з конічним переходом між ними. Використовують у кристалографії, геодезії тощо. Призначений для рекогносціювальних, розбивних і знімальних робіт при топографічних зйомках, що не вимагають високої точності.