Принципы дифракционных методов исследований кристаллов

Для простых веществ коэффициенты поглощения рентгеновских лучей для разных длин волн можно найти в справочных таблицах, для сложных веществ они определяются экспериментально.

Анализ кристаллов по их внешней форме в наши дни вытеснен достижениями ХХ века – дифракционными методами исследования структуры. Среди них: рентгеноструктурный анализ, метод электронной микроскопии, нейтроно­графия.

Для дифракционных методов не нужно иметь большой многогранный кристалл, достаточно крупинок кристаллического вещества для определения сим­метрии его структуры. В начале ХХ века знали, что расстояния между атомами в веществе составляют десятые доли нанометра.

В 1895 г. немецким учёным Л. Рентгеном были открыты рентгеновские лучи. Неизвестные лучи были названы Х–лучами. Оказалось, что длины волн рентгеновского излучения также имеют длины волн того же порядка.

Доказательством того, что открытое рентгеновское излучение относится к разряду электромагнитных излучений, явился опыт М. Лауэ. В 1912 г. Лауэ от кристалла медного купороса была получена первая дифракционная картина, но расшифровать её не удалось из-за того, что был выбран кристалл, который обладает самой низкой симметрией из всех возможных. Английские физики отец и сын Брэгги, повторяя опыт Лауэ, получили рентгенограммы от кристаллов цинковой обманки и каменной соли.

Сразу обнаружилось, что симметрия рентгеновского снимка наглядно отражает симметрию кристалла. Этими опытами было доказано, что кристаллы построены как атомные трёхмерные решётки. Английским учёным (отцу и сыну) Брэггам удалось показать, что структура кристалла объясняет не только расположение пятен (дифракционных максимумов) на рентгенограмме, но и их относительные интенсивности. Были сделаны три предположения: 1) различные атомные плоскости в кристаллах действуют как зеркала, отражая рентге­новские лучи; 2) рентгеновский пучок состоит из непрерывного набора длин волн; 3) способность атома рассеивать рентгеновские лучи зависит от его атом­ного номера.

Брэггам удалось расшифровать рентгенограмму каменной соли и вычислить расстояние между ионами натрия и хлора (d = 0.281 нм), которое полно­стью совпало с теоретическим значением. Для этого им пришлось использовать выведенную в 1912 г. русским учёным Г.В. Вульфом формулу, которая теперь носит название закона Вульфа - Брэгга: 2d sinθ = nλ. При выводе этой формулы учёные рассматривали интерференцию рентге­новского излучения на кристалле как его отражение атомными плоскостями кристалла (рис. 8.9).

Рис. 8.9.Отражение рентгеновского пучка от серии атомных плоскостей