Рентгенофазовый анализ (РФА), Общие сведения - Основы качественного анализа

Общие сведения

Из множества физических и физико-химических методов анализа в нашем практикуме используется лишь один, наиболее важный для химии и физики твердого состояния и для материаловедения. В данном пособии он рассмотрен очень кратко, многие важные вопросы опущены.

Рентгеновские лучи - это короткие электромагнитные волны, возникающие при ударе электронного пучка о преграду (анод рентгеновской трубки). Для РФА важно, что при этом атомы анода возбуждаются и при переходе обратно в основное состояние испускают кванты строго определенной для данного элемента энергии, т. е. лучи со строго определенной длиной волны - характеристическое излучение материала анода.

Кристаллы - это периодические структуры, где периоды повторяемости сравнимы с длинами волн этого излучения. Например, в кристалле NaCl расстояние между центрами ионов Na+ и Cl? составляет 282 пикометра (1 пм = 10-12 м) или 2,82 ангстрем (1 A = 10-10 м), а параметр элементарной ячейки (период повторяемости) равен удвоенному значению - 5,64 A). Длина волны наиболее мощного излучения рентгеновской трубки с медным анодом - 1,5406 A). Поэтому кристаллы - это естественные дифракционные решетки для рентгеновских лучей.

Лучи, рассеянные разными атомами, либо усиливают, либо ослабляют друг друга, в зависимости от того, совпадают ли волны по длине и по фазе колебаний. Это явление - интерференция. Возникающую при этом интерференционную картину не вполне точно называют дифракционной. Раньше ее регистрировали на специальную фотопленку, но теперь обычно используют счетчики квантов. Таким образом, рентгеновские приборы - дифрактометры - замечательно иллюстрируют корпускулярно-волновую двойственность: рентгеновские лучи возникают, как кванты определенной энергии, потом испытывают дифракцию и интерференцию, как волны, а в результате регистрируются поштучно - опять в виде квантов.

По дифракционной картине можно наиболее точно установить атомное строение кристалла, а кристаллическое состояние - наиболее общее для всех веществ, поэтому рентгеноструктурный анализ (РСА) - основной метод определения атомной структуры веществ. Задача рентгенофазового анализа (РФА) более скромная: по дифракционной картине распознавать неизвестные фазы путем сравнения с дифракционными картинами известных фаз. Поэтому РФА иногда сравнивают с дактилоскопией - опознанием людей по отпечаткам пальцев. Вещества разного химического состава, или одного состава, но разного строения, имеют разные кристаллические решетки и потому дают разные дифракционные картины. Для их сравнения не обязательно знать кристаллографию (хотя знание ее помогает разобраться в сложных случаях). Как и рентгеноспектральный анализ, и в отличие от химического анализа, метод РФА неразрушающий.

Принципиальное отличие РФА от рентгеноспектрального и большинства химических методов в том, что определяется не элементный состав, а то, в каких кристаллических фазах находятся элементы.

Например, нужно проконтролировать процесс синтеза пьезоэлектрического твердого раствора ЦТС из смеси оксидов:

PbO + (1-x)TiO2 + xZrO2 > PbTi1-xZrxO3.

Реакция анион соль программный

Делать полный элементный анализ тут нет смысла, т. к. содержание каждого элемента, включая величину х, заранее известно - оно задано при составлении смеси. Можно лишь заподозрить улетучивание части PbO при высокой температуре, но это гораздо проще и точнее проверяется взвешиванием, чем анализом. Химическим анализом можно определить фазовый состав лишь частично: найти содержание PbO, не вступившего в реакцию, и потому растворимого в слабой уксусной кислоте (в отличие от продуктов реакции). Но при этом остается неизвестным, получился ли однородный твердый раствор, или смесь фаз: PbTiO3 (с примесью циркония) и PbZrO3 (с примесью титана). РФА решает этот вопрос за несколько минут.

Основное ограничение РФА - он не обнаруживает аморфные фазы, например, стекла. Кроме того, в редких случаях вещества разного состава имеют геометрически идентичные решетки и потому дают одинаковые дифрактограммы. Здесь наиболее полную картину дает сочетание рентгенофазового анализа с элементным (например, рентгеноспектральным).

Похожие статьи




Рентгенофазовый анализ (РФА), Общие сведения - Основы качественного анализа

Предыдущая | Следующая