Перейти на главную страницу
Учебно-методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсу «Рентгеноструктурный анализ»
ОМСК
по курсу «Рентгеноструктурный анализ»
_____________________________________________________________
Издание ОмГУ Омск 2004
УДК: 539.26
Панова Т.В., Блинов В.И. Теоретический расчет рентгенограммы поликристалла.
Учебно-методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу "Рентгеноструктурный анализ". Омск, 2004. 22с.
Работа утверждена в качестве учебно-методических указаний к выполнению лабораторной работы на Ученом Совете физического факультета 23 апреля 2004 г.
Омский госуниверситет, 2004.
Цель работы – освоение методов расчета теоретических дифрактограмм и основ компьютерной структурной кристаллографии.
Принадлежности: компьютер PENTIUM
В В Е Д Е Н И Е
Рентгенографические методы широко используются в различных областях науки и техники. Имеется достаточное количество монографий и учебников по физическим основам и по использованию рентгенографии для исследования минералов, металлов, полупроводников и других классов соединений /1-4/
Современная кристаллография невозможна в настоящее время без прецизионного оборудования для дифракционных исследований и сложных компьютерных расчетов, результаты которых необходимо сравнивать с экспериментом. Среди обширного списка компьютерных программ можно выделить класс программ, предназначенных для компьютерного моделирования структур и расчета соответствующих интенсивностей рассеяния, среди которых важное место занимает программа PowderCell.
Сингония | Межплоскостные расстояния dHKL | Объем ячейки, V |
Кубическая | | а3 |
Тетрагональная | | а2с |
Ромбическая | | аbc |
Ромбоэдрическая | | |
Гексагональная | | |
Моноклинная | | abc sin |
Триклинная | | |
Необходимые для расчета суммы квадратов индексов и неполные квадраты суммы индексов от 1 до 50 приведены в таблицах приложения /2/. Расчет следует проводить до тех пор, пока вычисленные межплоскостные расстояния не станут меньше половины длины волны того излучения, для которого рассчитывается дебаеграмма, так как на рентгенограмме получаются отражения от плоскостей, для которых dhkl /2.
Расчет брэгговских углов производится по данным о межплоскостных расстояниях по формуле Вульфа-Брэгга:
2 d sin = n (1)
До 60° пользуются выражением для ср.; большие углы рассчитывают по 1, и 2.
где I0 - интенсивность первичных лучей;
С - постоянная для данного вещества и данных условий съемки величина;
f() - угловой множитель интенсивности;
Р - множитель повторяемости;
|S|2- структурный множитель интенсивности;
F2 - атомный множитель интенсивности;
e-2M - температурный множитель интенсивности (для химических соединений и упорядоченных твердых растворов величины F и е-2M входят в структурный множитель);
R()— абсорбционный множитель.
Рассмотрим конкретные методы определения каждого из множителей.
Значения f() в зависимости от угла приведены в таблицах приложения /2/.
Угловой фактор имеет минимум вблизи 52°, что наряду с эстинкцией приводит к различию в относительной интенсивности линий рентгенограммы одного и того же вещества при разных излучениях.
Множитель повторяемости Р равен числу семейств плоскостей в их совокупности, имеющих одинаковое межплоскостное расстояние и одинаковый структурный множитель. Значение Р приведены в таблицах приложения /2/.
Структурный множитель |S|2 учитывает зависимость интенсивности рентгеновых лучей от расположения атомов в элементарной ячейке и определяется базисом решетки:
,
или в тригонометрической форме
Для структур, имеющих центр инверсии,
Структурный множитель представляет собой, таким образом, взятую по всем атомам базиса сумму произведений атомного множителя F на косинус угла, в аргумент которого входит сумма парных произведений индексов интерференции HKL на одноименные координаты базиса х; у и z.
Обращение структурного множителя в нуль свидетельствует о погасании соответствующего отражения, поэтому при отсутствии данных о пространственной группе выражение структурного множителя используют для определения индексов наблюдаемых интерференций.
При расчете структурного множителя его формулу сначала упрощают для заданных HKL, а затем подсчитывают Нх + Ку + Lz, после чего выписывают соs2 (Hx + Ку + Lz), суммируют их по группам с одинаковым FJ, умножают сумму на соответствующий атомный множитель и суммируют полученные частные суммы. Расчетные данные сводят в таблицы. Структурные множители в приведенном виде содержатся в таблицах International Tables for Determination of Crystalstructures /2/.
Расчет атомного множителя для свободных атомов при ряде упрощений приводит к выражению F = ZФ, где Z — атомный номер, а Ф — универсальная функция атомного множителя:
Ф=f(sa), где s=; a=0,47 Z1/3.
Практически строят график Ф=f(sa) по данным таблиц приложения /2/, вычисляют sa из исходных данных расчета и находят Ф по графику. Такой метод дает удовлетворительные результаты при Z > 20.
Здесь h— постоянная Планка, равная 6,62 10-27 эрг/сек,
m — масса атома, равная A1,6510-24 (A — атомный вес элемента);
k — постоянная Больцмана, равная 1,3810-16 эрг/град;
—характеристическая температура, определяемая по формуле
,
где — максимальная частота тепловых колебаний атомов (значения для ряда элементов приведены в табл. 6 приложения);
Ф(х) — так называемая функция Дебая (величина этой функции для ряда значений х дана в таблицах приложения /2/);
В случае кубической решетки величина может быть заменена отношением
.
Абсорбционный множитель R() учитывает ослабление лучей в образце при данной геометрии съемки. В случае цилиндрического образца (столбика) абсорбционный множитель является функцией угла , а также произведения , где — линейный коэффициент ослабления, определяемый по таблицам для данного вещества и длины волны ;
— радиус столбика.
Для определения R() для линий с разными углами необходимо вычислить значение и в таблицах приложения /2/ найти значения R() для данного и данных . Интерполяция между табличными данными производится графически, так как ее следует выполнять и для и для , т. е. по плоскости.
Практически относительная интенсивность линии рентгенограммы для определенной длины волны рассчитывается следующим образом:
1. Записываются исходные данные:
исследуемое вещество (атомный номер Z, структурный тип, пространственную группу, период ячейки, базис), длину волны излучения и радиус образца .
2. Определяют возможные индексы линий на рентгенограмме данного вещества. Рассчитывают углы для всех этих линий.
3. Определяют отдельные множители интенсивности для каждой линии рентгенограммы.
4. Находят произведение всех множителей интенсивности для каждой линии рентгенограммы.
5. Приняв максимальное произведение, полученное согласно п. 4, за 100, определяют относительное значение интенсивности для остальных линий рентгенограммы.
6. По фотометрической кривой, снятой в полулогарифмическом масштабе, определяют интегральную интенсивность для каждой линии рентгенограммы, принимая ее как площадь, заключенную между пиком кривой и линией фона (рис. 1, б).
а. б.
Рис. 1. Определение интенсивности линий рентгенограммы по фотометрическим
кривым: а — максимальная интенсивность при записи в линейном. масштабе (по ординате); б — интегральная интенсивность (по площади) при записи в логарифмическом масштабе
7. Приняв интенсивность линии с максимальной площадью за 100, определяют относительную интенсивность остальных линий.
В настоящее время теоретический расчет рентгенограмм легко произвести с использованием всевозможных компьютерных программ, основанных на более расширенных данных приложения /2/. Широкое применение нашли разработки немецких рентгенографов, реализованные в программе PowderCell. Рассмотрим возможности этой программы.
PowderCell позволяет решать следующие задачи:
1. Показывать кристаллические структуры, используя более чем 745 различных установок типов пространственных групп.
2. Использовать различные форматы импорта структурных данных (ICSD, SHELX, POWDER CELL).
3. Трансформировать различные установки от одного типа пространственной группы к другому.
4. Генерировать все klassengleiche (лауэвские классы) и translationengleiche (трансляционные) подгруппы; превосходный инструмент для изучения фазовых переходов, описываемых как понижение степени симметрии.
5. Варьировать структуру внутри элементарной ячейки, используя вращение и трансляцию выбранных атомов или молекул.
6. Показывать соответствующие рентгеновские или нейтронные порошковые дифрактограммы одновременно.
7. Симулировать различные условия дифракции, к примеру: длина волны излучения, расщепление дублета, геометрия рассеяния, переменные щели, предпочтительная ориентация (текстура), аномальное рассеяние, любые объемные или массовые фракции в смеси фаз и т.д.
8. Выбирать различные функции свертки (конволюции) – различные профили дифракционных максимумов.
9. Сравнивать экспериментальные и вычисленные дифрактограммы, используя R-факторы.
10. Экспортировать кристаллическую структуру и расчетную дифрактограмму в различных графических форматах, например PostScript, POV-Ray .
11. Использовать Clipboard, чтобы экспортировать графику и таблицы отражений в другие Windows программы.
12. Экспортировать дифрактограммы в различных файловых форматах.
PowderCell позволяет работать с 10 кристаллическими структурами одновременно.
PowderCell – превосходный инструмент для: поддержки определения структуры из данных по порошковой дифракции, обучения с возможностью демонстрации влияния симметрии пространственной группы, подгрупп, влияния нескольких дифракционных параметров и т.д., решения практических проблем, к примеру смеси, идентификация фаз, существование предпочтительной ориентации и т.д.
Краткое описание POWDER CELL
В практикуме имеются DOS и Windows версии программы (директории pc18d и pcw10 соответственно). Руководство и HELP доступны только на немецком языке. Нижеприведенная инструкция достаточна для выполнения лабораторных работ практикума.
Входные данные могут быть неформатированными. Единственное требование - после 4-й колонки могут вводиться только цифры. Пустые строки не разрешены, однако могут быть введены комментарии после последнего значения для RGNR. В большинстве примеров (*.cel) факторы занятости позиции и изотропные температурные факторы не включены (эти две величины задаются после трех координат).
Пример входного файла с данными о структуре (кубическая элементарная ячейка, параметры ячейки: a=b=c = 5 Å, ===90o, атом кислорода с координатами [[0,0,0]] и температурным фактором 0.4, атом азота с координатами [[0.5,0.5,0.5]] и температурным фактором 0.3, атом водорода с координатами [[1/3,1/3,1/3]] , пространственная группа 14):
CELL 5.0 5.0 5.0 90 90 90
O 8 0.0 0.0 0.0 1 0.4
N 7 0.5 0.5 0.5 1 0.3
H 1 0.333 0.333 0.333
RGNR 14
Если Вы хотите использовать только температурный фактор, то необходимо установить фактор занятости равным 1. Заменяя один атом другим, к примеру на 50%, получаем:
O 8 0.0 0.0 0.0 0.5 0.4
16 0.5 0.45
N 7 0.5 0.5 0.5 1 0.3
H 1 0.333 0.333 0.333
RGNR 14
Для запуска программы необходимо набрать адрес https://www.omsu.omskreg.ru. Будет загружен сайт Омского государственного университета, в котором необходимо выбрать раздел «Учебные материалы» -«Рентгеноструктурный анализ». В закладке «мультимедиакурс «Рентгеноструктурный анализ» существует раздел «Компьютерные программы», в котором расположена программа PowderCell. Для запуска программы необходимо выбрать позицию Windows версия 1,0. После загрузки программы появятся 2 окна, в верхнем производится изображение структуры, а в нижнем отображается дифрактограмма поликристаллического образца. В качестве примера можно загрузить предложенную разработчиками программы структуру magnetit. В верхнем окне появится геометрическое представление элементарной кристаллической решетки магнетита, а в нижнем рассчитанная теоретическая дифрактограмма. Также появятся "клавиши" справа и сверху.
Управление программой производится нажатием – левой и – правой кнопок "мыши". Кликнув на CANCEL, можно выйти из окна меню.
В приложении к данному учебно-методическому пособию представлены некоторые функции меню (русский перевод ключевых слов), достаточных для выполнения заданий. Если клавиша не используется в данной работе, то рядом с ней в данном руководстве надпись: не использовать.
2. Загрузить файлы с расширением *.cel, *.txt или *res для различных примеров кристаллических структур. Произвести различные манипуляции над кристаллическими структурами и интенсивностями рассеяния с использованием клавиш сверху и справа.
3. Рассчитать теоретические дифрактограммы и построить элементарные ячейки для следующих поликристаллов:
Задание 1
Изменяя длину волны от максимальной (Cr) до минимальной (Ag) рентгеновского излучения, проследить за изменением дифрактограммы. Дать объяснение увеличению дифракционных линий при уменьшении длины волны рентгеновского излучения.
Сохранить набранные файлы с расширением *.cel для следующих структур, которые будут использоваться в данной работе и последующих работах практикума:
Полиморфные модификации железа:
1. Файл «alfafe.cel» для альфа-Fe (кубическая объемноцентрированная (ОЦК) структура, устойчивая < 910 СО). Параметр элементарной ячейки-2.8665 Å, координаты атома Fe - [[0 0 0]], [[0,5 0,5 0,5]], RGNR 229 (Im3m). Число атомов в ячейке –2.
2. Файл «gammafe.cel» для гамма-Fe (кубическая гранецентрированная структура (ГЦК), устойчивая в интервале 910-1400 СО. Параметр элементарной ячейки-3.637 Å, координаты атома Fe - [[0 0 0 ]], [[0,5 0,5 0]], [[0,5 0 0,5]], [[0 0,5 0,5]], RGNR 225 (Fm3m). Число атомов в ячейке – 4.
3. Файл «deltafe.cel» для дельта-Fe (ОЦК структура, параметр э.я.-2.936 Å, координаты атома Fe - [[0 0 0]], [[0,5 0,5 0,5]], RGNR 229 (Im3m). Число атомов в ячейке – 2.
4. Файл «Cu3Audis.cel» для сплава Cu-Au (25%Au). В неупорядоченном состоянии при повышенных температурах сплав характеризуется примерно однородным, статистическим распределением Au и Cu по узлам ГЦК решетки с параметром э.я.-3.75 Å. Факторы занятости позиции для Au - 0.25, Cu - 0.75 соответственно, координаты атома Au в э.я. - [[0 0 0]], Cu- [[0 0.5 0.5]], [[0.5 0 0.5]] и [[0.5 0.5 0]], RGNR 225.
5. Файл «Cu3Auord.cel» для того же сплава, отожженного ниже критической температуры (390 СO). Происходит упорядочение. Параметр э.я. тот же самый (не меняется), однако происходит понижение симметрии, ячейка становится примитивной кубической-RGNR 221 (Pm3m), координаты атомов: Au - [[0 0 0]], Cu - [[0 0.5 0.5]], [[0.5 0 0.5]], [[0.5 0.5 0]].
Тип -латунь
6. Файл «CuZn.cel» для для неупорядоченной ОЦК-структуры сплава Cu-Zn с равновероятным расположением меди и цинка (фактор занятости - 0.5), параметр э.я.-3.72 Å, координаты атомов – [[0 0 0]], [[0,5 0,5 0,5]], RGNR 229 (Im3m).
7. Файл «Betalat.cel» для того же сплава, в упорядоченной структуре, параметр э.я. тот же самый, координаты атомов: Cu - [[0 0 0]], Zn - [[0.5 0.5 0.5]], RGNR 221 (Структурный тип CsCl). Фактор занятости – 0,5.
Полупроводники
8. Файл GE.cel, германий, тип алмаза (число атомов в э.я. – 8), параметр э. я.-5.658 Å, координаты атома Ge - [[0 0 0]], RGNR 227(Fd3m)..
9. Файл ZnS.cel, структурный тип цинковой обманки, параметр э.я.-5.423 Å, координаты : Zn - [[0 0 0]], S - [[0.25 0.25 0.25]], RGNR 216.
10. Файл GaAs.cel, арсенид галлия, структурный тип ZnS, параметр э.я.-5.65321 Å.
11. Файл «Rutil.cel», TiO2, структурный тип рутила, координаты атомов: Ti - [[0 0 0]], O - [[0.3048 0.3048 0]], тетрагональная э.я. (a = b = 4.594 Å, c = 2.959 Å), RGNR 136.
12. Файл TiO.cel, TiO, структурный тип NaCl, параметр э.я.-4.177 Å, координаты атомов:Ti - [[0 0 0]], O - [[0.5 0 0]], RGNR 225.
Задание 2
Рассчитать теоретические дифрактограммы для Mo и Cu - излучений. Проверить правила погасания:
1. Для кубической P- решетки разрешены все рефлексы hkl.
2. Для ОЦК I- решетки разрешены только рефлексы, для которых сумма индексов - четное число.
3. Для ГЦК F- решетки разрешены только рефлексы одинаковой четности.
4. Для структурного типа алмаза разрешены только рефлексы одинаковой четности, сумма которых делится на 4.
5. Для структурного типа CsCl, если сумма индексов - четное число, то интенсивность пропорциональна квадрату суммы амплитуд рассеяния атомов, если - нечетное число, то интенсивность пропорциональна квадрату разности атомных амплитуд. Поэтому если структура образована атомами с близкими атомными номерами, то картина дифракции мало отличается от рентгенограммы для ОЦК структуры.
Контрольные вопросы
к лабораторной работе
Можно выполнять следующие манипуляции со структурой: вращение вокруг 3 осей, сдвиг – трансляцию влево/вправо, вверх/вниз, вперед/назад.
FWHMFWHM = f(U,V,W) = Utantan + Vtan + W. B последнем случае U, V, W должны быть введены.
межплоскостное расстояние/интенсивность (пика).
угол дифракции/интенсивность (пика).
Блинов Василий Иванович
Учебно-методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсу «Рентгеноструктурный анализ»
Редактор
Подписано в печать Формат бумаги 6084 1/16
Печ.л. . Уч.-изд. л. . Тираж Заказ
Панова Т. В., Блинов В. И. Определение индексов отражающих плоскостей: Учебно-методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу "Рентгеноструктурный анализ". Омск, 20
28 09 2014
1 стр.
Учебно-методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу "Рентгеноструктурный анализ". Омск, 2004. 22с
28 09 2014
1 стр.
Панова Т. В., Блинов В. И. Определение фазового состава поликристаллического вещества
06 10 2014
1 стр.
С. М. Бельская, А. А. Гребеньков. Способы определения площадей земельных участков. Методические указания по выполнению лабораторной работы. – Хабаровск: двгупс, 2010. – 18 с
27 09 2014
1 стр.
Методические рекомендации предназначены для закрепления, углубления и расширения знаний в процессе выполнения лабораторной работы «Влияние абиотических факторов на устойчивость рас
18 12 2014
1 стр.
Цель работы: изучение методов определения массовой доли жира в пищевых продуктах
26 09 2014
1 стр.
С 78 Статистика. Ч. I. Общая теория статистики: Метод указания по выполнению контрольной работы / Сост. А. А. Мухин, И. А. Мухина. Ижевск: «Детектив-информ», 2008. 82 с
04 09 2014
11 стр.
Цель работы: Изучение спектров сигналов различной формы и скремблирование методом частотного преобразования
10 10 2014
1 стр.