Применение. При интерпретации нейтронных дифракционных спектров пользуются геометрической

При интерпретации нейтронных дифракционных спектров пользуются геометрической теорией дифракции, применимой также и к дифракции электронов и рентгеновских лучей. Каждое из этих излучений имеет специфику взаимодействия с веществом, что определяет их область применения.

Рассеяние нейтронов происходит на ядрах атомов, что приводит к отсутствию систематической зависимости амплитуды рассеяния от порядкового номера химического элемента, в отличие от рассеяния электронов и рентгеновских лучей. Это позволяет использовать нейтронографию для определения положения атомов элементов-соседей в Периодической системе.

Амплитуда рассеяния нейтронов легких атомов (с маленьким зарядовым числом) сравнима с амплитудой рассеяния тяжелых атомов, что делает нейтроны незаменимыми при определении положения атомов водорода в гидридах металлов, углерода в карбидах металлов и т. п.

Некоторые ядра рассеивают нейтронные волны в фазе, что нашло применение в методе нулевой матрицы, когда подбирается такой состав, чтобы суммарная амплитуда рассеяния атомов одной из подрешёток была равна нулю. В этом случае рассеяние будет происходить только лишь от другой подрешётки и если это — атомы лёгких элементов, определение их координат в элементарной ячейке значительно упрощается.

Поскольку амплитуда рассеяния нейтронов не зависит от угла рассеяния, их можно использовать для изучения атомной структуры жидкостей и аморфных материалов.

Наличие у нейтрона магнитного момента приводит к тому, что они рассеиваются вследствие взаимодействия и с атомными ядрами, и с имеющими магнитные моменты электронными оболочками. Поэтому нейтроны являются единственным инструментом для изучения магнитного упорядочения в магнетиках, где имеется корреляция между направлениями магнитных моментов. Так, благодаря магнитной нейтронографии были обнаружены новые классы магнитных материалов — антиферромагнетики и ферримагнетики.

13 Электронография (от электрон и...графия), метод изучения природы, структуры и морфологии вещества, основанный на рассеянии ускоренных электронов исследуемым образцом. Применяется для изучения атомной структуры кристаллов, аморфных тел и жидкостей, молекул в газах и парах. Физическая основа электронографии - дифракция электронов; при прохождении через вещество электроны, обладающие волновыми свойствами, взаимодействуют с атомами, в результате чего образуются отдельные дифрагированные пучки. Интенсивности и пространственное распределение этих пучков находятся в строгом соответствии с атомной структурой образца, размерами и ориентацией отдельных кристалликов и другими структурными параметрами. Рассеяние электронов в веществе определяется электростатическим потенциалом атомов, максимумы которого в кристалле отвечают положениям атомных ядер. Электронографические исследования проводятся в специальных приборах - электронографах и электронных микроскопах; в условиях вакуума в них электроны ускоряются электрическим полем, фокусируются в узкий светосильный пучок, а образующиеся после прохождения через образец пучки либо фотографируются (электронограммы), либо регистрируются фотоэлектрическим устройством. В зависимости от величины электрического напряжения, ускоряющего электроны, различают дифракцию быстрых электронов (напряжение от 30-50 кэв до 1000 кэв и более) и дифракцию медленных электронов (напряжение от нескольких в до сотен в). Электронография принадлежит к дифракционным структурным методам (наряду с рентгеновским структурным анализом и нейтронографией) и обладает рядом особенностей. Благодаря несравнимо более сильному взаимодействию электронов с веществом, а также возможности создания светосильного пучка в электронографе, экспозиция для получения электронограмм обычно составляет около секунды, что позволяет исследовать структурные превращения, кристаллизацию и т. д. С другой стороны, сильное взаимодействие электронов с веществом ограничивает допустимую толщину просвечиваемых образцов десятыми долями мкм (при напряжении 1000-2000 кэв максимальная толщина несколько мкм). Электронография позволила изучать атомные структуры огромного числа веществ, существующих лишь в мелкокристаллическом состоянии. Она обладает также преимуществом перед рентгеновским структурным анализом в определении положения лёгких атомов в присутствии тяжёлых (методам нейтронографии доступны такие исследования, но лишь для кристаллов значительно больших размеров, чем для исследуемых в электронографии).

Электронный микроскоп (ЭМ) По своему принципу он напоминает обычный микроскоп, но вместо света здесь работают электроны, фокусируемые магнитными линзами. Пучок электронов, проходя через тонкий образец, взаимодействует с ним, а затем попадает на люминесцентный экран, делающий картину видимой для человеческого глаза. На фотографиях, сделанных с помощью просвечивающего электронного микроскопа, который позволяет достигать увеличения в миллионы раз, уже видны атомные слои и ступеньки. Атомы там имеют вид точек, а чтобы рассмотреть поверхность детально, нужны более совершенные инструменты, использующие другие принципы.

Работа ЭМ основана на том, что электроны, подобно фотонам, проявляют одновременно и корпускулярные (присущие частицам), и волновые свойства. Разогнанные до высоких энергий, они могут иметь дебройлевскую длину волны в сотые доли нанометра (15 кэВ соответствует 0,01 нм). И хотя электронные линзы значительно уступают оптическим по фокусировочным свойствам, увеличение электронного микроскопа может достигать миллионов раз, а разрешение — десятых долей нанометра.

5.2. Физика атомного ядра. Элементарные частицы

1. Строение атомного ядра.

Как уже отмечалось, атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Атомное ядро – центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклон, в ядре они могут превращаться друг в друга. Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит из одной элементарной частицы – протона.

Диаметр ядра атома равен примерно 10–13 – 10–12 см и составляет 0,0001 диаметра атома. Однако, практически вся масса атома (99,95-99,98%) сосредоточена в ядре. Если бы удалось получить 1 см3 чистого ядерного вещества, масса его составила бы 100–200 млн.т. Масса ядра атома в несколько тысяч раз превосходит массу всех входящих в состав атома электронов.

Протон – элементарная частица, ядро атома водорода. Масса протона равна 1,6721 х 10–27 кг, она в 1836 раз больше массы электрона. Электрический заряд положителен и равен 1,66 х 10–19 Кл. Кулон – единица электрического заряда, равная количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника за время 1с при неизменной силе тока 1А (ампер).

Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов. Это число постоянное для данного элемента и определяет его физические и химические свойства. То есть от количества протонов зависит, с каким химическим элементом мы имеем дело. Число протонов в атомном ядре определяет заряд ядра (зарядовое число Z) и порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (атомный номер элемента).

Нейтрон – электрически нейтральная частица с массой 1,6749 х 10–27кг, в 1839 раз больше массы электрона. Нейрон в свободном состоянии – нестабильная частица, он самостоятельно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Период полураспада нейтронов (время, в течение которого распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом (атомной массой – А). Число нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между массовым и зарядовым числами: N = A – Z.

Электрон – элементарная частица, носитель наименьшей массы – 0,91095х10–27г и наименьшего электрического заряда – 1,6021х10–19 Кл. Это отрицательно заряженная частица. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, т.е. атом электрически нейтрален.

Позитрон – элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Масса электрона и позитрона равны, а электрические заряды равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.

Различные типы ядер называют нуклидами. Нуклид – вид атомов с данными числами протонов и нейтронов. В природе существуют атомы одного и того же элемента с разной атомной массой (массовым числом):
, Cl и т.д. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядер, но различное массовое число, называются изотопами. Обладая одинаковым количеством протонов, но различаясь числом нейтронов, изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, т.е. очень близкие химические свойства и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.

2. Нуклоны. Энергия связи нуклонов.

Нукло́ны (от лат. nucleus — ядро) — частицы, из которых построены атомные ядра. Нуклоны представленыпротонами и нейтронами.

С точки зрения электромагнитного взаимодействия протон и нейтрон разные частицы, так как протон электрически заряжен, а нейтрон — нет. Однако с точки зрения сильного взаимодействия, которое является определяющим в масштабе атомных ядер, эти частицы неразличимы, поэтому и был введен термин «нуклон», а протон и нейтрон стали рассматриваться как два различных состояния нуклона, различающихся проекцией изотопического спина. Близость свойств изоспиновых состояний нуклона является одним из проявлений изотопической инвариантности.

Атомное ядро состоит из А нуклонов: Z положительно заряженных протонов и A – Z нейтронов с зарядом, равным нулю.

Масса нуклида в основном состоянии M(A,Z) является фундаментальной константой и складывается из массы ядра M(A,Z) и массыZ связанных в атоме электронов (при этом необходимо учитывать, что последняя составляющая много меньше первой). Массы нуклонов и нуклидов удобнее измерять в атомных единицах массы – а.е.м. (1 а.е.м. = 1/12 массы изотопа ,или 931,5 МэВ, либо 1,66·10^-27 кг).

Дата добавления: 2015-07-12