Исследование и определение минерала -кварц

 

Санкт –  Петербургский государственный  технологический институт

(Технический  университет)

 

 

 

 

Кафедра технологии стекла и общей  технологии силикатов

 

Лаборатория кристаллографии и минералогии

 

                                                                            

                                                                             Факультет:  1

                                                                     Курс:  3

                                                         Группа:  183

 

 

 

 

 

 

 

Исследование и определение  минерала

-кварц

 

 

 

 

 

                                                Студентка:  Бабошина Ю.С.

 

                                                     Руководитель: Карпинская О.В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2011

 

Содержание

 

1. Введение……………………………………………………………………….3
2. Рентгеновское излучение…………………………………………………….4

2.1. Дифракция  рентгеновских лучей. Вывод уравнения Вульфа-Брегга...5

2.2. Методы  съемки рентгенограмм…………………………………………6               

2.3. Качественный  рентгенофазовый анализ………………………………..9

2.4. Иммерсионный анализ………………………………………………….11

3. Характеристика исследуемого минерала…………………………………..13
4. Заключение……..…………………………………………………………...14
5. Список использованной литературы……………………………………….15

                        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                      1. Введение

 

Целью работы является исследование и определение неизвестного минерала с помощью рентгенофазового анализа и инфракрасной спектроскопии.

Фаза - однородные (гомогенные) составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделенные от других составных частей поверхностями раздела. Физические свойства твердых тел зависят в определенной степени от их фазового состава, поэтому важной задачей физического материаловедения является установление фазового состава кристаллического вещества, который часто определяют с помощью рентгенографического фазового анализа. Фазовым анализом называется установление наличия фаз в исследуемом образце, их идентификация (качественный анализ) и определение относительного содержания фаз (количественный анализ). Каждое кристаллическое вещество характеризуется атомным составом, кристаллической решеткой и расположением атомов в элементарной ячейке и поэтому дает специфическую рентгеновскую дифракционную картину. Таким образом, получаемая в эксперименте рентгеновская дифракционная картина многофазного поликристаллического образца есть сумма рентгенограмм всех фаз, находящихся в образце. Дифракционной характеристикой вещества служит спектр значений межплоскостных расстояний d и относительных интенсивностей (I) отражений от этих плоскостей, полученной на монохроматическом излучении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Рентгеновское излучение

 

Рентгеновское излучение - электромагнитное излучение с длиной волны приблизительно от 0,01 до 1 нм. К возникновению рентгеновских лучей может приводить ускоренное или замедленное движение заряженных частиц. Например, торможение потока электронов (уменьшение их кинетической энергии) в поле атомов какого-либо вещества вызывает появление сплошного излучения, для которого зависимость интенсивности от длины волны непрерывна. Линейчатый (характеристический) спектр рентгеновского излучения возникает, когда движущиеся электроны обладают достаточно высокой кинетической энергией. Такие электроны при столкновении с атомом способны передать часть своей энергии электронам внутренних слоев его электронной оболочки. В результате приобретения избыточной энергии электрон внутреннего слоя переходит на более высокий энергетический уровень или вообще удаляется за пределы атома. Возникает возбужденное состояние атома, в котором он обладает повышенной энергией  и которое является неустойчивым (время жизни не более 10^-8 с). Возвращение в невозбужденное состояние сопровождается переходами электронов, имеющих более высокую энергию, на более низкоэнергетические орбитали. Так, вакансия, образовавшаяся при удалении электрона из К-слоя, может быть занята L-электроном или М-электроном. В результате каждого из таких переходов энергия атома уменьшается и возникает излучение. При переходе электрона на вакансию в К-слое возникает излучение одной из линий набора, называемого К-серией; переходы на вакансии в L-слое приводят к возникновению L-серии линий и т.д. Совокупность линий всех серий образует характеристический спектр, положение линий которого зависит от природы вещества, облучаемого электронами. Схема возникновения характеристического спектра рентгеновских лучей показана на рисунке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Линии К, образующиеся при переходе на К-слой электронов с двух различных подуровней L-уровня, обозначаются К_α1 и К_α2 (при их совместном рассмотрении – К_α), с М-уровня – К_β. При переходе на L-слой образуются линии L ит.д. Наиболее интенсивны линии К_α1, К_α2 и К_β.

Условно рентгеновское излучение можно  разделить на коротковолновое (жесткое) и длинноволновое (мягкое). Возникает  рентгеновское излучение при  торможении электронов (или других заряженных частиц, например, протонов) в материальной преграде, а также  при взаимодействии γ - излучения  с веществом. При увеличении скорости тормозящихся электронов растет проникающая  способность излучения. Рентгеновские  лучи распространяются прямолинейно, преломляются, поляризуются и дифрагируют, как и видимый свет. Коэффициент  преломления очень мало отличается от единицы; он равен  , где для металлов. Рентгенoвское излучение проходит через непрозрачные для видимого света тела. Чем короче длина волны, тем большей проникающей способностью оно обладает. Рентгеновские лучи производят фотографическое действие, засвечивают фотографические пленки и бумагу. Рентгеновские лучи ионизируют газы, а также вызывают люминесценцию многих веществ.

 

1.1. Дифракция рентгеновских лучей.  Вывод уравнения Вульфа-Брегга.

 

Рентгеновские лучи можно разложить в спектр с помощью кристаллов. Кристаллы  состоят из атомов, расположенных  в пространстве в определенном периодическом  порядке. Под влиянием электрического поля рентгеновских лучей электроны  атомов становятся источниками сферических  волн с длиной волны, равной длине  волны первичного луча. Сферические  волны, излучаемые отдельными атомами, интерферируют: гасят друг друга  в одних направлениях и усиливают  в других. Простое объяснение явления  дифракции рентгеновских лучей  при их прохождении через кристалл дали независимо друг от друга профессор  Московского университета Ю.В.Вульф  и английские физики отец и сын  Брэгги.

При проникновении  в кристаллическое вещество рентгеновские  лучи рассеиваются электронами частиц, заселяющих плоские сетки. Этот процесс  может быть рассмотрен как отражение  рентгеновских лучей плоскими сетками. Система плоских сеток выступает  по отношению к рентгеновскому излучению  в качестве дифракционной решетки  вследствие того, что длина волны  излучения соизмерима с межплоскостным расстоянием. Отраженное излучение  имеет максимальную амплитуду при  условии, что разность хода Δ двух лучей первичного пучка равняется  целому числу длин волн nλ. В противном случае, т.е. когда Δ ≠ nλ и они не находятся в одной фазе, происходит взаимное погашение отраженных волн.

 

 

Предполагается, что первичный пучок лучей  монохроматичен, когерентен и параллелен. Легко убедиться, что Δ = 2x = 2d • sinθ. Следовательно, условие возникновения дифракционного максимума примет вид

 

nλ = 2d • sinθ,

 

где θ –  угол дифракции, равный углу скольжения; n – порядок отражения.

Очевидно, что максимумы будут наблюдаться  при различных углах θ для  семейств плоских сеток с разными  d. Приведенное выше уравнение носит название уравнения Вульфа – Брега и лежит в основе рентгенографического анализа. Его возможность обусловлена индивидуальностью наборов семейств плоских сеток для каждого кристаллического вещества, следствием которой является индивидуальность дифракционной картины, т.е. распределения интенсивности отражения в зависимости от значений θ.

 

1.2. Методы съемки рентгенограмм

 

Методы  съемки рентгенограмм разделяются  на фотографические и дифрактометрические. При использовании методов первой группы осуществляется фоторегистрация  рентгеновского излучения: под его  воздействием происходит почернение фотоэмульсии. Возможны три принципиально различающихся  варианта съемки с фоторегистрацией:

 

1. Метод Лауэ. В этом методе пучок излучения с непрерывным спектром падает на неподвижный монокристалл. Дифракционная картина регистрируется на неподвижную фотопленку.
2. Метод вращения монокристалла. Пучок монохроматического излучения падает на кристалл, вращающийся (или колеблющийся) вокруг некоторого кристаллографического направления. Дифракционная картина регистрируется на неподвижную фотопленку. В ряде случаев фотопленка движется синхронно с вращением кристалла; такая разновидность метода вращения носит название метода развертки слоевой линии.
3. Метод порошков или поликристаллов (метод Дебая – Шеррера - Хэлла). В этом методе используется монохроматический пучок лучей. Образец состоит из кристаллического порошка или представляет поликристаллический агрегат.

 

Также применяется метод Косселя - неподвижный монокристалл снимается в широко расходящемся пучке монохроматического характеристического излучения.

 

Метод Лауэ применяется на первом этапе изучения атомной структуры кристаллов. С его помощью определяют сингонию кристалла и лауэвский класс (кристаллический класс Фриделя с точностью до центра инверсии). По закону Фриделя никогда невозможно обнаружить отсутствие центра симметрии на лауэграмме и поэтому добавление центра симметрии к 32-м кристаллическим классам уменьшает их количество до 11. Метод Лауэ применяется главным образом для исследования монокристаллов или крупнокристаллических образцов. В методе Лауэ неподвижный монокристалл освещается параллельным пучком лучей со сплошным спектром. Образцом может служить как изолированный кристалл, так и достаточно крупное зерно в поликристаллическом агрегате.

 

Метод вращения монокристалла является основным при определении атомной структуры кристаллов. Этим методом определяют размеры элементарной ячейки, число атомов или молекул, приходящихся на одну ячейку. По погасаниям отражений находят пространственную группу (с точностью до центра инверсии). Данные по измерению интенсивности дифракционных максимумов используют при вычислениях, связанных с определением атомной структуры.

При съемке рентгенограмм методом вращения кристалл вращается или покачивается вокруг определенного кристаллографического  направления при облучении его  монохроматическим или характеристическим рентгеновским излучением.

Дифракционные максимумы на рентгенограмме вращения располагаются вдоль прямых, называемых слоевыми линиями.

Максимумы на рентгенограмме располагаются симметрично  относительно вертикальной линии, проходящей через первичное пятно. Часто  на рентгенограммах вращения наблюдаются  непрерывные полосы, проходящие через  дифракционные максимумы. Появление  этих полос обусловлено присутствием в излучении рентгеновской трубки непрерывного спектра наряду с характеристическим. При вращении кристалла вокруг главного (или важного) кристаллографического  направления вращается связанная  с ним обратная решетка. При пересечении  узлами обратной решетки сферы распространения  возникают дифракционные лучи, располагающиеся  по образующим конусов, оси которых  совпадают с осью вращения кристалла. Все узлы обратной решетки, пересекаемые сферой распространения при ее вращении, составляют эффективную, область, т.е. определяют область индексов дифракционных  максимумов, возникающих от данного  кристалла при его вращении. Для  установления атомной структуры  вещества необходимо индицирование  рентгенограмм вращения. Индицирование  обычно проводится графически с использованием представлений обратной решетки. Методом вращения определяют периоды решетки кристалла, которые вместе с определенными методом Лауэ углами позволяют найти объем элементарной ячейки. Используя данные о плотности, химическом составе и объеме элементарной ячейки, находят число атомов в элементарной ячейке.

 

Метод порошков используют для получения дифракционной картины от поликристаллических веществ в виде порошка или массивного образца (поликристалла) с плоской поверхностью шлифа. При освещении образцов монохроматическим или характеристическим рентгеновским излучением возникает отчетливый интерференционный эффект в виде системы коаксиальных дебаевских конусов, осью которых является первичный луч.

Дифракционные условия выполняются для тех  кристаллов, в которых плоскости (hkl) образуют угол q с падающим излучением. Линии пересечения дебаевских конусов с пленкой, называются дебаевскими кольцами. Для регистрации интерференционной картины в методе порошков используют несколько способов расположения пленки по отношению к образцу и первичному пучку рентгеновских лучей: съемка на плоскую, цилиндрическую и конусную фотопленку. Регистрация может производиться также с помощью счетчиков. Для этой цели используют дифрактометр.

 

Определение периодов кристаллических решеток  сопряжено с некоторыми погрешностями, которые связаны с неточным измерением вульф-брэгговского угла q . Высокой точности определения периодов (погрешность 0,01- 0,001 %) можно достигнуть, применяя особые методы съемки и обработки результатов измерения рентгенограмм, так называемых прецизионных методов. Достижение максимальной точности в определении периодов решетки возможно следующими методами:

1. использованием значений межплоскостных расстояний, определенных из углов в прецизионной области;
2. уменьшением погрешности в результате применения точной экспериментальной техники;
3. использованием методов графической или аналитической экстраполяции.

            Дифрактометрические методы съемки рентгенограмм, реализуемые в дифрактометрах, отличаются от фотографических тем, что дифракционная картина регистрируется последовательно во времени. При этом используется счетчик отраженных рентгеновских лучей, который перемещается по окружности таким образом, что угол дифракции θ при этом непрерывно изменяется. Для получения достаточно интенсивных рефлексов на рентгендифрактограмме необходимо использовать фокусирующие методы съемки, при которых в достаточно узкую щель счетчика попадает рентгеновское излучение, отраженное от образца с относительно большой поверхностью.

 

 

 

1.3. Качественный рентгенофазовый  анализ

 

Для решения  вопроса о том, какая фаза присутствует в пробе, нет необходимости в  определении ее кристаллической  структуры, а достаточно, рассчитав  рентгенограмму или дифрактограмму, сравнить полученный ряд межплоскостных расстояний с табличными значениями. Совпадение (в пределах ошибок эксперимента) опытных и табличных значений d/n и относительной интенсивности  линий позволяет однозначно идентифицировать присутствующую в образце фазу.