Mavzu Rentgenografik taxlil usuli

Mavzu 2. Rentgenografik taxlil usuli.

Rengenografik tekshirish usuli

Rentgen nurlarining xossalari

1895 yili nemis fizigi Rentgen ichigago ikkita elektrod kavsharlangan shisha naychadan havoni 10-5 mm simob ustini bosimigacha haydab chiqarib, undan elektr toki o’tkazilsa, elektrodlarda o’ziga xos, ko’zga ko’rimaydigan nurlar chiqishini anikladi, bu nurlar keyinchalik rentgen nurlari deb ataldi.

To’lqin uzunligi 10-2-102 Å bo’lgan elektromagnitaviy to’lqinlar rentgen nurlari deyiladi.
Rentgen nurlari turli apparatlarda olinadi. Lekin ularning hammasida nur olish bir xil prinsipga, ya’ni katodga yuqori kuchlanish berilganda o’zida elektronlar chiqarishi va bu elektronlar harakati yo’nalishida joylashgan, qarama-qarshi qutblangan elektrod (antikatod)ga urilishi natijasida antikatoddan juda katta tezlikda zarrachalar otilib chiqishiga asoslangan. Rentgen nurlarning kvantaviy energiyasi yorug’liq nuri fotonlari energiyasidan bir necha ming marta ortiq bo’ladi. Rentgen nurlari to’lqin uzunligi juda kichikligi va yuqori kvantaviy energiyaga egaligi tufayli ko’pgina jismlar orqali o’tganda energiyasining bir qismi yutiladi, o’tgan nurlarning sezgirligi tushayotgan nurlarnikiga nisbatan kam bo’ladi. Shu xususiyatlari tufayli ular sanoatda material va buyumlarning ko’rinmas nuqsonlarini aniklashda keng qo’llaniladi.
Qattiq moddaga rentgen nurlari tushirilganda moddadan elektronlar chiqa boshlaydi. Chiqayotgan elektronlarning soniga qarab rentgen nurlarining sezgirligini aniklash mumkin.
Rentgen nurlarning boshqa elektromagnitaviy tebranishlardan to’liq uzunligi bo’yicha farqi 1-jadvalda ko’rsatilgan.
Nurlar (tebranishlar) to’liq uzunligiga qarab turli usullar bilan xosil qiladi. Masalan, radioto’lqinlarni tarqatish uchun yirik inshootlar-uzatgich va antenna bo’lishi kerak, ulardan yuqori chastotali katta to’lqin uzunligiga ega bo’lgan elektromagnitaviy tebranishlar vujudga keltiriladi. Infraqizil nurlar, yorug’lik nuri va ultrabinafsha nurlari modda tarkibiga kirgan zarrachalarning yuqori temperatura ta’sirida tez tebranma harakat qilishi natijasida vujudga keladi. Rentgen nurlari esa katta tezlikda harakatlanayotgan elektronlarning yo’liga to’siq qo’yib, ularni birdan to’xtatish natijasida vujudga keladi. Tormozlangan elektronlar energiyasining asosiy qismi issiqlikka aylanadi. Ular energiyasining juda oz (0,1-1%) qismigina rentgen nurlari energiyasiga aylanadi.
Rentgen nurlari havo yoki boshqa gaz orqali o’tganda gaz molekulalarini ionlantiradi, buning natijasida qutblangan zarrachalar-ion va elektronlar hosil bo’ladi. Gazning atom yoki molekulasidan elektron ajralib chiqishi bilan u musbat ionga aylanadi. elektronlar gaz molekulalari bilan ko’p marta to’qnashganidan so’ng biror atom, yoki molekulaga birikadi va manfiy ion hosil qiladi. Musbat va manfiy ionlar tartibsiz harakatda bo’lib, o’zaro to’qnashganda neytrallanadi. Ionlangan gaz elektrik maydonga joylashgan bo’lib, musbat ionlar katodga, manfiylari esa anodga tomon intiladi. Ionlar elektrodga urilganda ular neytrallanadi, bundan tashqi zanjirda ionlanish toki hosil bo’ladi. Hosil bo’lgan ionlanish toki nihoyatda kichik (taxminan 10-9-10-15 a) bo’ladi.
Rentgen nurlarining o’zi qutblanmagan, ya’ni neytral bo’lib, ularga elektrik maydon ham, magnitaviy maydon ham ta’sir qilmaydi.
Rentgen nurlari kristall panjaraga tushgganda ularning bir qismi qaytadi, boshqa qismi esa o’tadi. Kristall panjara orqali o’tganda qisman yeyiladi, qisman og’adi va qisman sinadi. Kristall panjaraning parallel tekisliklaridan qaytgan nurlar difraksion panjara orqali o’tgan yoruglik nurlariga o’xshab o’zaro uchrashadi.
Rentgen nurlarining kristall panjara ionlariga urilib qaytadigan difraksion manzarasi kristallarning strukturasini o’rganishga imkon beradi.
Rentgen nurlari biror modda orqali o’tganda nurda va nurlantirilayotgan moddada o’zgarishlar sodir bo’lishi ustida qisqacha to’xtalib o’tamiz.
Rentgen nurlari biror moddaga tushganda energiyasining bir qismi modda orqali o’tishida sarflanadi. Dastlabki rentgen nurlari modda atomlari bilan ta’sirlashganda ular energiyasining bir qismi elektronlarga o’tadi. Bu elektronlar energiya beruvchi elektronlar deyiladi. Modda orqali o’tgan rentgen nurlari moddadan elektronlarni siqib chiqaradi, natijada issiqlik ajralib chiqadi.
Agar modda atomining ichki elektron qavatidagi qo’shimcha energiya olgan elektronlar moddadan chiqib keta olmasa, bu qo’shimcha energiya moddada elektronlarning xarakatlanish tezligini kuchaytirishga sarf bo’ladi, ya’ni moddaning ichki energiyasini oshiradi. Bundan tashkari, katta energiyaga ega bo’lgan bu elektronlar rentgen kvantlari siqib chiqargan tashqi qavatdagi elektronlarning o’rniga o’tadi.
Moddaga tushayotgan nur energiyasining u orqali o’tgan nur energiyasidan farqi yutilgan va tarqalgan nur energiyasi miqdorini beradi.
Rentgenografik analiz usuli rentgen nurlarining modda kristall panjarasiga tushganda difraksiyalanishiga asoslangan. Rentgen nurlari modda orqali o’tganda uning atomlaridagi elektronlarga ta’sir ko’rsatadi va ularni tebranma harakatga keltiradi. Natijada elektronlar ikkilamchi to’lqin manbaiga aylanadi. atomlarning elektronlari tarqatgan to’lqinlar har tomonga yoyiladi, agar moddada atomlar ma’lum tartibda joylashgan bo’lsa, interferensiya hodisasi tufayli to’lqinlar bir yo’nalishda bir-birini kuchaytiradi, qolgan hamma yo’nalishlarda esa bir-birini so’ndiradi.
Kristall holatdagi moddalar orqali rentgen nurlari o’tganda murakkab difraksion manzara hosil bo’lishiga sabab kristall panjaradagi atomlar orqali o’tgan nurning o’zaro parallel tekisliklardan qaytishidir.
Agar to’lqin uzunligi  bo’lgan monoxromatik rentgen nurlari oqimi kristallning atomlar tekisligiga  burchak ostida tushsa, ulardan qaytgan nurlar bitta fazada joylashib bir-birini kuchaytiradi. Har qaysi tekislikdan qaytgan nurlarning bosib o’tgan yo’li butun son n ga teng bo’ladi.
Shunday qilib, rentgen nurlarining tekshirilayotgan modda orqali o’tishida “kuchsizlanishi” moddaning strukturasiga bog’liq.
Rentgen nurlarining kristall modda atomlariga urilib tarqalishini G.V. Vulfa va Bregg kristalldagi atomlar tekisligidan qaytishi deb qaradilar.¹

1-rasm. Atom tekisliklaridan qaytgan nurlarini qayd etish sxemasi.
1-rasmdan kristall panjaraning ikkita o’zaro parallel tekis­liklaridan qaytgan rentgen nurlarining bosib utgan yo’li 2d sin  ga teng. Shunday qilib, difraksiya щarti kuyidagi Vulf—Bregg tenglamasini kanoatlantirgandagina interferension nur hosil bo’lishi mumkin:
n=2dsin
bu yerda d - tekisliklar orasidagi masofa;
 - rentgen nurlarining to’lqin uzunligi, Å;
n - butun son 1, 2, 3… bo’lib nurlarning qaytish tartibi;
 - rentgen nurlarning kristall panjara tekisligiga tushish
burchagi.
Demak, difraksiya natijasida og’gan nurlarning yo’nalishi kristall panjaraning tuzilishiga (atomlarning bir-biriga nisbatan joylashuvi va atomlar tekisliklari orasidagi masofa – d ga) bog’liq.
Vulf-Bregg tenglamasi rentgenostrukturaviy va rentgenospektral analizlar uchun asosiy hisoblash formulasidir.
Rentgen nurlarning sinishi dastlab kristallning turli tekisliklardan «yumshoq» rentgen nurlarning qaytishi o’lchab aniklanadi. Bunda qaytish tartibining ortishi bilan Vulf-Bregg tenglamasi bo’yicha hisoblangan to’lqin uzunligining kamayishi aniklandi. Lekin Vulf-Bregg tenglamasiga ko’ra to’lqin uzunligi  va kristall panjara konstantasi d o’zgarmaganda qiymat o’zgarmasligi, ya’ni bo’lishi kerak edi. Tenglamadan bunday chetga chiqishning sababi, rentgen nurlarning kristall panjaradan o’tishida og’ishidir.
Vulf-Bregg tenglamasini keltirib chiqarishda rentgen nurlarning sindirish ko’rsatkichi birga teng, ya’ni nurning kristall tashqarisidagi va uning ichidagi yo’nalishlari bir xil bo’ladi, deb qabul qilingan.
Kristall yuzasiga to’lkin uzunligi bir xil bo’lmagan nur tushayotganda nur qanday burchak ostida tushishiga qarab ma’lum bir to’lqin uzunlikdagi nurlargina qaytadi, bu selektiv qaytish (tanlab qaytish) deyiladi.
Tekshirilayotgan moddalarning kristall yoki amorf holatdaligini va ularning tuzilishini rentgen nurlari minerallarning kristall panjarasiga tushirilganda struktura elementlari bilan ta’sirlashishi natijasida hosil bo’ladigan difraksion manzara yordamida aniklash mumkin.
Kristall holatdagi har qanday modda aynan shu modda uchun mos bo’lgan strukturaga ega bo’lib, undagi ionlar (atomlar) o’ziga xos tartibda joylashadi. Ma’lumki, ba’zi minerallarning kimyoviy tarkibi bir xil bo’ladi. Masalan, rutil-brunit-anataz, kvars-tridimit-kristabolit yoki kalsit-aragonit minerallarning kimyoviy tarkibi o’xshash, lekin ular strukturasini tashkil qilgan zarrachalarning bir-biriga nisbatan turlicha joylashganligi bu moddalar strukturasidagi va boshqa xossalardagi farqni keltirib chiqaradi. Ikkinchi tomondan, kolimyoviy tarkibi bir-biridan boshqacha bo’lgan bir qancha minerallar, masalan, flyuorit, uraninit, serianit, tarianit va boshqalarda kation va anionlarning joylashishi o’xshash bo’ladi. Bu moddalarning strukturaviy parametrlari kimyoviy tarkibiga bog’liq ravishda bir-biridan farq qiladi.
Kristall panjara tekisliklari orasidagi masofaning qiymati minerallar strukturasi haqida ancha anik ma’lumot beradi, chunki u ion va atomlar joylashuvining davriyligi bilan bog’liq. Atomlar tekisliklari esa atomlarning fazaviy panjarada koordinata o’qlariga nisbatan joylashishiga bog’liq. Elementlar katakcha parallelepiped bo’lib, uning simmetriyasi mineralning strukturaviy simmetriyasiga mos, qirralarining yo’nalishi koordinata o’qlarining yo’nalishi bilan bir xil bo’ladi. Bu koordinatalar sistemasida atomlar tekisligining holati, uning indekslari hkl ga bog’liq.
Tekisliklar orasidagi masofalarning qiymati hkl indekslar orqali elementar katakchalarning tuzilishini aniklash uchun elementar katakcha parametrlarinigina emas, elementar parallelepipedni tashkil qilgan atom (ion, molekula)larning koordinatalarini ham bilish kerak. Moddalar kristall tuzilishini xarakterlovchi bu ma’lumotlar-difraksion manzara mineralning rengenogrammasidan olinadi.
Tekshirilayotgan moddaning tuzilishi va tarkibiga qarab, rentgenostrukturaviy analiz usullaridan biri tanlanadi. Masalan, monokristallarni tekshirishda-Laue usuli, aylantirish hamda rentgen-goniometr usulidan; polikristallarni tekshirishda esa kukun usuli yoki Debay-Sherrer usulidan foydalaniladi.
Monokristallardan qaytgan rentgen nurlari difraksiyasini hosil qilish uchun kristallni unga tushayotgan nur yo’nalishiga to’g’rilash (orentasiyalash) yoki polixromatik nurlardan foydalanish zarur bo’lsa, polikristall holatdagi moddalardan difraksiyalangan nur olishda monoxromatik nur yo’naltirilayotgan modda qo’zg’atilmaydi. Bunda Vulf-Bregg tenglamasi orkali ifodalangran difraksiya sharti bajariladi, chunki polikristall moddalarda dastlabki nur yo’nalishiga nisbatan turlicha joylashgan ko’pdan-ko’p kristallar bo’ladi, h1k1·l1 tekisliklari dastlabki nur yo’nalishiga nisbatan 1 burchak ostida joylashgan kristallar rentgen nurlarini 21 burchak ostida difraksion konus shaklida qaytaradi h2k2l2 tekisliklari dastlabki nur yo’nalishiga nisbatan 2 burchak ostida joylashgan, boshqa kristallar esa 22 burchakka og’gan konuslar hosil qiladi va hokazo.
Kristallardan qaytgan nurlar fotografik usul bilan qayd qilinsa, yassi fotoplyonkada bu konuslar konsentrik difraksion halqalar sistemasini hosil qiladi.
Polikristall moddalar difraktogrammasini rentgen kamerasining silindr shaklidagi yuzasi bo’ylab egilgan plyonkaga olish ancha qulay. Bunda plyonkaning eni uncha katta bo’lmagani tufayli (3-5 sm), nur chikishiga nisbatan simmetrik ravishda joylashgan yoylar hosil bo’ladi. Simmetrik yoylar orasidagi masofani o’lchab, nurning qaytish burchagi hisoblanadi;
2l=4R
Bu yerda 2l-simmetrik yoylar orasidagi masofa, mm;
R-Rentgen kamerasining radusi, mm;
-rentgen nurlarining qaytish burchagi, radian.
 ni gradus hisobida ifodalash uchun quyidagi formuladan foydalaniladi:

Nurlarning qaytish burchagi aniklangach, Vulf-Bregg tenglamasidan foydalanib, kristall panjara tekisliklari orasidagi masofa


formula asosda hisoblanadi.

1