Особенности рассеяния рентгеновских лучей и электронов
Хотя механизмы возникновения рентгенограмм и электронограмм идентичны и описываются идентичными законами, различия в природе излучений обуславливает различия в характере информации, которая может быть получена посредством этих методов и в особенностях реализации этих методов. Основной проблемой дифракционных методов является восстановление информации содержащейся в дифрактограммах, и это восстановление должно было бы сводиться к решению задачи обратного Фурье-преобразования. В свете подобного подхода электронография и рентгеноструктурные методы предоставляют существенно разные возможности. Интерпретация электронографических результатов, особенно полученных в колонне электронного микроскопа, облегчается возможностью реализовать обратное Фурье-преобразование посредством линзовой системы микроскопа. Хотя эта система крайне несовершенна, она позволяет получать надежную информацию об особенностях структуры с масштабом, превышающим доли нанометра. Рентгеновские результаты подобной возможности лишены. Основными источниками информации в них являются, во-первых, позиции дифракционных максимумов, во-вторых, интенсивность этих максимумов и, в-третьих, их форма.
Практика рентгеноструктурных исследований
Проблемой рентгеноструктурных методов исследования является необходимость интенсивных источников рентгеновских волн с малой расходимостью. Основным источником излучения являются рентгеновские трубки, в которых рентгеновское излучение возникает в результате торможения высокоэнергетических электронов, и излучение является расходящимся. Формируется излучение двух типов: тормозное, в которое переходит часть энергии электронов инициирующего пучка, и характеристическое, обусловленное межуровневыми переходами в атомах мишени. Тормозное излучение имеет непрерывный спектр частот, и основным инструментом при рентгеновских исследованиях является характеристическое излучение с фиксированными длинами волн. Вариации этих длин обеспечиваются изменениями материала мишени. Наиболее употребляемыми являются трубки с Cu анодом и λ = 1,5405 Å и 1/ λ = 0,6491 Å-1. Интенсивность излучения, генерируемого трубками ограничена нагревом мишеней. Высокую интенсивность обеспечивают синхротроны, но их использование ограничено уникальностью установок.
Рентгеновское излучение не поддается фокусировкам, и монохроматические рентгеновские лучи с ограниченной расходимостью, получают путем дифракции. В этих целях используются схемы, в которых для формирования интенсивных монохроматических и малорасходящихся пучков используют кристаллы-монохроматоры, а для анализа распределения излучения по углам – кристаллы-анализаторы (рис. 3). Существуют также трехкристальные схемы: монохроматор–образец–анализатор.
Рисунок 3. Схемы рентгеновских исследований. 1 – с монохроматизирующим и коллимирующим кристаллом. 2 – с кристаллом анализатором. λ1 и λ2 – наименьшая и наибольшая длины волн, отражаемых монохроматором, щель и нож ограничивают: спектр длин волн, формирующих отражение, расходимость пучка, и область отражения объектом; ω – отражает вращение образца, 2ω’ – вращение кристалла-анализатора, который должен поворачиваться на удвоенный угол Брэгга.
Общее представление о закономерностях рассеяния рентгеновского излучения дает рентгенограмма поликристаллического образца, имеющего кристаллы любых ориентаций. Для монокристаллического объекта подобная рентгенограмма может возникать при вращении вокруг 3-х осей (рис. 4)
Рисунок 4. Рентгенограмма от массива кристаллитов NaCl; излучение Cu-α; ось абсцисс – углы отражений; ось ординат – относительные интенсивности; указаны индексы отражений.
Для монокристалла в силу малости радиуса сферы Эвальда могут, как правило, наблюдаться и регистрироваться только проходящий и один дифрагированный луч, и для получения полномасштабной дифракционной картины необходимо вращать кристалл, обеспечивая выполнения брэгговских условий для разных плоскостей. Во многих случаях это является преимуществом, поскольку одновременное возникновение многих отражений, для которых особенности структуры кристалла по-разному влияют на условия интерференции, усложняют интерпретацию дифракционной картины в результате множественной дифракции.