Структурная электронография - Вайнштей Б.К.
Скачать (прямая ссылка):
микрочастицы обладают волновыми свойствами. Действительно, вскоре были
поставлены и дали положительные результаты опыты по диф-фракции на
кристаллах молекул, протонов, нейтронов. Практическое применение для
исследования вещества нашли диффракция электронов и, позже, диффракция
нейтронов.
Таким образом, современными методами исследования атомной структуры
являются рентгенография, электронография и нейтронография, имеющие много
общего, но обладающие и специфическими особенностями, которые определяют
возможности и области их применения.
§ 1 Электронография, рентгенография и нейтронография [1-15J
Сходство электронографии, рентгенографии и нейтронографии заключается в
том, что в принципе при помощи любого из этих трех методов можно решить
осноршую задачу структурного анализа - установить координаты центров
тяжести атомов в молекуле или кристалле. Такой геометрический характер
задачи позволяет в большинстве случаев перенести без изменений в
электронографию и нейтронографию геометрическую теорию диффракции,
развитую первоначально применительно к рентгеновским лучам.
Различие трех методов вытекает из различий во взаимодействии
соответствующего излучения с объектом. Различия в характере
взаимодействия приводят, с одной стороны, к ограничениям, вытекающим из
экспериментальной техники, и, с другой стороны, к различию в физическом
смысле окончательного результата, если ставить задачу шире, чем
установление координат атомов.
Рентгеновские лучи - электромагнитные волны - рассеиваются электронными
оболочками атомов. Ядра атомов с их положительным зарядом "невидимы" для
рентгеновских лучей. Обработка экспериментальных рентгенографических
данных при помощи синтеза Фурье позволяет построить картину распределения
электронной плотности кристалла, пики которой соответствуют атомам.
Рассеяние электронов происходит под действием электростатического
потенциала, создаваемого ядрами атомов и их электронными оболочками. Ход
электростатического потенциала в атоме оказывается примерно подобным ходу
его электронной плотности, но несколько более пологим. Построение синтеза
Фурье по электронографическим данным дает картину распределения
потенциала решетки, максимумы которой также соответствуют атомам (ядрам).
Рассеяние нейтронов происходит под действием дельтообразного потенциала
ядерных сил. Сравнение картины распределения "рассеивающей материи" в
решетке из покоящихся атомов для всех трех излучений дано на рис. 1.
Существенное влияние на диффракционную картину оказывает тепловое
движение, поскольку она отражает усредненные по времени и по объему
кристалла (по всем элементарным ячейкам) положения
атомов. Тепловые колебания приводят к размытию пиков идеальной картины
(рис. 1), соответствующей покоящимся атомам. В результате построение
синтеза Фурье дает "размазанную" картину, в которой теряются многие,
чрезвычайно важные детали (например, слоистая структура электронной
оболочки атома). Единственное положительное влияние теплового движения
при диффракционном анализе атомной структуры вещества можно видеть в том,
что оно способствует сходимости рядов Фурье.
Существенным в структурном анализе является вопрос о выявлении различных
сортов атомов в решетке в присутствии друг друга. Рентгеновские лучи
рассеиваются атомами примерно пропорционально атомному номеру Z.
Обнаружение легких атомов в присутствии тяжелых при сильном различии
атомных номеров становится затруднительным; повышаются требования к
точности эксперимента.
Рассеяние электронов зависит от атомного номера менее сильно, поэтому
относительная обнаружи-ваемость легких атомов здесь выше.
Но и рентгенографически, и электронографически трудно выявить различие
атомов с близкими Z в данном кристалле. Это можно осуществить при номощи
диффракции нейтронов, так как рассеяние нейтронов вообще не зависит явно
от атомного номера. При использовании диффракции нейтронов возможно
изучение изотопических и спиновых различий входящих в решетку атомов,
которых "не замечают" ни рентгеновские лучи, ни электроны. В то же время
при диффракции нейтронов могут оказаться неразличимыми (имеющими
приблизительно равную амплитуду рассеяния) совершенно разные атомы.
Перечисленные общие соображения не являются, однако, единственными при
выборе того или иного диффракционного метода для решения определенной
задачи. Существенные требования вытекают из характера эксперимента.
Основными здесь являются следующие факторы:
1) наличие доступных и достаточно мощных источников излучения;
j^) удобство и простота аппаратуры;
3) возможность получения образцов, дающих необходимую диффрак-ционную
картину в виде, специфичном для данного метода;
4) удобство и быстрота регистрации диффракционной картины.
Одним из наиболее важных моментов, определяющих характер эксперимента,
является сила взаимодействия того или иного излучения с веществом. Для
исследования атомной структуры вещества используют
"ЛААА
Six)
