Рентген саулелери

Кристалдық зат деп, материалдық бөлшектері  (атомдар, иондар, молекулалары) үш бағытта  периодты дұрыс орналасуын айтады. Кеңістікте кристалл бөлшектерінің орналасуын кристалдың құрылымы деп түсінеді. Кеңістіктік тор – кристалдағы атомдар (бөлшектердің) орналасуын сипаттайтайтын геометриялық бейне. 

Ең азы параллелепипед, оны үш бағытта үзіліссіз параллель  көшірулер жүргізу арқылы  барлық кеңістік торын  салуға болады, ол элементар  ұяшық деп аталады.

Үш негізгі вектор, элементар ұяшықтың қабырғалары  болып табылатын трансляция немесе бірлік осьтер деп аталады. Трансляцияның абсолюттік өлшем бірлігі а, b, с периодтық торлар деп аталады. Тор периоды және үш қабырға арасындағы ұяшықтар бұрышы   (осьтік бұрыштар) міндетті түрде  элементар ұяшықтарды сипаттайды.

Барлық кеңістік торларының әр алуандығын жеті жүйеге - сингонияларға бөледі, бұрыштар мен бірлік осьтердің өзара қатынасынан шыға: кубтық, гексагоналдық, тетрагоналдық, ромбоэдралық, ромбылық, моноклиндік, триклиндік.

Элементтердің тәуелсіз үйлестірулердің  саны тор симметриялары (кеңістік топтары) 230 құрастырады. Ұқсатылған элементтер симметриясының бар болуынан 230 кеңістік топтарын  32 нүктелік топтарға (симметрия кластарына) біріктіруге болады.

Егер кристалдың барлық бөлшектері бір элементар ұяшыққа  жататын болса, оларды ауырлық центрімен алмастыра отырып, кеңістікте периодты түрде он төрт әр түрлі  әдіспен таратуға (транслиттеуге) болады - 14 транслиттік Бравэ торлары. Тек шыңдардағы (түйіндегі) атомдардан өзге, бұл тордағы ұяшықтар бір атомдардан құралған:  - кубтың ортасында,  - кубтың алты қырының әрқайсысының центрінде, - екі үшқырлы призманың біреуінің центрінде, төрт тетраэдрлықта (сегізден) әр қырының центрінде ұяшық ішінде алмаз типті элементар параллепипедті құрайды.

Белгілі кеңістік торларында бір элементар  ұяшыққа тек бір атом, күрделілерге - бірнеше атом келеді. Күрделі торларды бірнеше қарапайым белгілі торлардың бір-біріне қойылған қосындысы ретінде қарастыруға болады. Белгілі торлардың саны оның ішіндегі күрделі элементар ұяшыққа сәйкес келетін атомдар санына сәйкес келеді.

Күрделі торлар көбінесе базисті торлар деп аталады. Тордың базисі деп бірлік осьтерде көрсетілген, берілген тор үш осьтік бағытта трансляцияланып  құралатын жиынтық бөлшектер  санының минимал координаттар қосындысын айтады. Базис қосарланған  квадрат жақшаларда жазылады. Элементар ұяшық көлеміне, атомдармен орын иеленген көлем бойынша, көлемді толтыру коэффициенті  . Координаттық сан – қарастырылып жатқан торға жақын, яғни  бір түр бөлшектер санына жататын сан.

Кеңістік  торларының түйіндері арқылы өтетін түзулер және жазықтықтар, сәйкесінше түйіндес түзулер мен жазықтықтар деп аталады. Барлық түйіндес түзулер немесе жазықтықтар, кеңістікте бірдей орналасқан жазықтықтар немесе түзулер жанұясын құрайды. Олар кристаллографиялық түрде ұқсас және бірдей периодтарға ие, сәйкесінше жазықтық аралық ара қашықтықпен ұқсас болып келеді.

Тордағы жанұялық бағыттар мен жазықтықтар  орналасуы бірмәнді Миллердің кристаллографиялық индекстерімен анықталады [5, C.102-107].

Кристаллографиялық жазықтық индекстері деп  , бірлік осьтер санына кері пропорционал үш өзара қарапайым, кристаллографиядағы   координаттар осьтері  кесінділердің тап осы жанұсының бүтін саны ретінде түсініледі. Жазықтық индекстерінің жиынтығы дөңгелек жақшаға алынған  , жазықтық таңбалары деп аталады.

Кристаллографиялық бағыт  индекстері деп кез-келген атом координаттарына  пропорционал осы бағытта орналасқан, бірлік осьтерде өлшенген үш өзара  байланысты бүтін қарапайым сандарды айтады. Сол бағыттағы кристаллографиялық индекстерді анықтағанда оны  координат басында өзіне-өзін параллель жүргізу қажет.  Бағыттардың кристаллографиялық индекстерін квадрат жақшаға әріпті түрде белгілейді  .

Жазықтықтардың жанұялық сериясы, бір бағытқа параллельді   торда, кристаллографиялық аймақ деп, ал бағыт  болса — аймақ осі  деп аталады.

Жазықтықтардың әрбір  жанұясы   индекстерімен, сонымен  қатар   жазықтық аралық ара қашықтығымен, яғни екі көршілес параллель жазықтық ара қашықтығыпен сипатталады. Күрделі  тор оқиғасында жазықтық аралық ара  қашықтық кристаллографиялық ұқсас жазықтықтар бір қарапайым торға жататындармен көршілес паралельді аралық ара қашықтықтары  бірдей болады.

Әрбір сингонияның артынан   индекстері,   өлшем бірлігімен   тор период арасында әр түрлі математикалық  тәуелділік болады.

Барлық ұқсас кристаллографиялық жазықтық жанұялары, яғни жазықтық аралық ара қашықтығы бірдей жазықтықтар жанұясы жазықтықтар қосындысын құрайды, оны фигуралық жақшамен белгілейді  .

 

Рентген сәулелерінің физикасы

Рентген сәулелердің  табиғаты мен олардың спектрі. Вульф - Брэгг формуласы. Кристалдарды рентген сәулелерімен шашырату.

Рентген сәулелері өзімен электромагниттік толқын ұзындығын көрсетеді, атомдардың сызықтық өлшемдерімен салыстырғанда  толқын ұзындықтары  . Бұл көрінбейтін сәулелер кейбір кристалдық заттарда флоуресценциялық қабілетін шақырады (мырышты күкіртті қоспа, платино – синеродтық барий және т.б.), фотопластинкаларға әсер ете алады (көрінетін жарық үшін мөлдір емес экрандарды жарықтатуға) және газдарды иондайды. Рентген сәулеленуінің екі түрі белгілі: тежеуіш және сипаттамалық.

Тежеуіш сәулелену рентген трубкаларында  жылдам  электрондар анодқа шабуылдап  тежеліп тоқтағанда вакуум ішінде пайда  болады. Тежеуіш сәулелену қысқа  толқынды бөлімдерде өкпек шекараның  бар болуы, кинетикалық энергия  және тез ұшатын оқталған бөлшектің (электронның) массасы  жаппай спектрге ыдырайды.

Сипаттамалық рентген  сәулелері атомдағы электронның  ядро орбитасынан алыс жатқан жерінен  жақынырақ жатқан орбитаға көшу кезінде  пайда болады, егер тереңірек жатқан орбитада бос орын пайда болса, сипаттамалық рентген сәулесі газдардағы оптикалық спектрлерге ұқсас сызықтық спектрлігіне ие болады. Сызықтық спектральді рентген жиілігі   мен (Z) элементтің реттік номерінен сипаттамалық шашырауды байланыстыратын заң Г. Мозглимен (1913) жылы ашылған болатын және ол келесідей түрде түсіндіріледі: жиілігі   немесе сипаттамалық сызыққа   сәйкес келетін квадрат түбірі элементтердің реттік номерінің сызықтық функциясы болып табылады.

Рентген сәулелері заттан өткенде жартылай жұтылады. Кіретін   ағыны мен интенсивтілік арасындағы қатынас заттың  өтпелі қабаты   келесі түрде болады.

 

мұндағы    – жұтылу коэффициенті;

        – жұтатын қабаттың қалыңдығы.

Әрбір элемент үшін үлгі құрамына кіретін   өлшем бірлігі, рентген  сәулесінің   жиілігіне байланысты секіртпелі түрде өзгереді. Қисықтағы  жұтылудың секіртпесі n=1 (К-жұтылу), n=2 (L-жұтылу), n=3 (М-жұтылу) және т.б. резонанстық  жұтылуға сәйкес келеді.

Рентген сәулеленуінің жұтылу коэффициентіне заттың тығыздығы және сәулелену  толқын ұзындығының табиғаты маңызды  әсерін тигізеді.Рентген сәулелерінің заттан жоғарғы өтімділігі және де рентген сәулелерінің кристалдық торға  дифракциясы тәжірибелік түрде оптикалық мөлдір емес заттардың құрылымын олардың бұзылмауынсыз зерттеуіне негіз болады.

Дифракция құбылысының  пайда болуы үшін,  көршілес  жазықтықтар арасындағы ара қашықтық кристалда¬ сәуле пайда болуы, түскен сәуле толқын ұзындығының жартысынан кем болмауы қажет. Рентген сәулелердің  дифракциясы газдарда, сұйықтықтарда  және аморфты заттарда, әсіресе кристалдарда айқын байқалады. Рентген сәулелердің дифракциясындағы кристалдар негізінде, кейінірек рентген құрылымдық және рентгенофазалық талдау әдістері ¬ өңделген. Рентген сәулелерінің дифракция мәні - екінші қайтара толқындардың толқын жиіліктерінің өзгеруінсіз зерттеліп жатқан атомның электрондық қабықшасындағы  құраушылар, яғни электрондармен шашыратылған амплитудаларының қосуында  жатыр. Рентген сәулелерінің рұқсат етілген шашырау (дифрагиралық) бағыттарының     кеңістік    шашырауының   саны    мен    сипаттамасы Ю. Вульф пен У. Брег (1913) келесідей қатынастағы заңымен анықталады

мұндағы d – кристалдағы  шағылатын көршілес    

                       жазықтықтың арасындағы ара қашықтық;

        – кристалға түсетін жарықтың шағылу бетінің  

             бағытымен пайда болатын сырғанау  бұрышы;

       п  – берілген   және  -да  дифракциялық  максимум 

             бақыланатын, реттік шағылу;

       λ   – рент¬гендік сәулеленудің толқындық  ұзындығы.

Егер зерттелетін кристалл, монохроматты   рентгендік жарық жолында орналасқан болса, оны жарықтың пер-пендикуляр осі бойынша айналдырып және осылайша, шағылатын жағдайға рет-ретімен кристалдың жазықтық жүйесін қойсақ, онда, шашыраудың толық суреті бақылады. Рентгендік сәулеленудің үздіксіз спектрінің көзін қолдана отырып, дифракциялық суретті үлгі айналуынсыз да алуға болады. Бұл жағдайда барлығына кристалл жазықтығының жүйесі үздіксіз спектрде міндетті түрде, Вульф – Брегтің заңын қанағаттандыратын λ толқын ұзындығы табылады.

 

Рентгендік  техника

Рентгендік трубкалар  мен аппараттар. Рентгендік сәулеленудің

тіркелуі және олардың  өлшеулерінің интенсивтілігі. Ионизациялық және фотографиялық әдісі.

Рентгендік сәулелерді алу үшін: рентгендік  трубкалар, рентгендік аппараттар, бетатрондар (рентгендік сәуленің ерекше қысқа толқындылығын алу үшін), рентгендік сәулеленудің радиоизотоптық көзінің мінездемесін қолданады.

Рентгендік трубка электронның  жолында орнатылған, нәтижесінде  пайда болатын атом анодымен тез ұшатын электрондардың ара қатынасы, рентгендік сәуле көзі болып табылады.

Рентгендік трубкалар  келесі белгілер бойынша  классифициаланады :

- электрондарды алу  жолы бойынша трубкалар иондық  және  электрондық;

- вакуумды жарату және  құру жағдайы бойынша тігілген және  құрылған трубкалар;

- қолдануы бойынша:  материалдың мөлдірлігі, анализдің  құрылымында, спектрлік талдауда, медициналық мақсатында (диагностикалық  және терапевтикалық);

- фокустың (ауданының)  шамасы бойынша трубканы  нормаль және фокус бойынша жасайды.Түгелдей шыныдан немесе шыныдан және металдан жасалынған рентгендік трубка баллондық түрде болады. Баллонда  катод  пен анод орналасқан. Трубка жоғары вакуумға дейін сорылады. Вольфрамнан тұратын  қызған жіп катод болып табылады, оны трансформатордың төменгі вольтты тогымен 2273—2973 К-ге дейін қыздырылады. Анодқа фокустайтын электрон ағынының құрылғысында катод орналасқан. Қалайыдан жасалған цилиндрдің ішкі жағы түбіндегі жазық кеңістігі анод болып табылады. Нысана рөлін атқаратын бұл аймақты электрондармен атқылағанда сипаттаушы сәулеленудің қажетті толқын ұзындығын алу үшін металл қабатымен жағады (дәнекерлеу және гальваникалық әдіспен). Трубканың ПӘК-і төмен болғандықтан (~1-3%), оның жұмысы кезінде бүкіл дерлік тұтынатын қуаты жылуға айналады, сондықтан анодты суыту жүйесі қолданылады (ауалы, сулы, майлы). Жіңішке берилл фольгасынан жасалған әйнектер 0,4 нм-ден және одан төменгі сәулеленуді өткізуге мүмкіндік береді.

Рентген аппараты күрделі  құрылғы, ол жоғарғы вольтты трансформатордағы рентгендік трубкадан ( кернеуді жоғарлататын), рентгендік трубканың қыздырушы трансформатор және кенотроннан (төмендету типінің трансформаторы), басқару пультынан құралады (орам санының түрлілігі немесе лездік регуляторы автотрансформаторда орналасқан, жоғарғы кернеудің өшуі, кенотрон-ның және рентгендік трубканың қыздыру реостаты, бақылау құралдары).

Кенотрон электронның  рентгендік трубкасына ұқсас, ол  жоғары кернеудің тогын  түзету үшін қолданылады  немесе кернеудің белгісі ауысқан  кезде  рентгендік  трубканы өшіреді.

Пайдаланылуына байланысты рентген аппараттары әртүрлі  жоғары вольтті сұлбаларға ие.

Рентген сәулелерін тіркеуде ионизациялық, фотографиялық, электрофотографиялық және люминесцентті әдістер қолданылады.

 

Рентген құрылымдық талдаудың әдістері

Лауэ әдісі. Монокристалдың айналу әдісі. Ұнтақ әдісі. Әдістер  негізі. Индициялау, рентгенограмманы есептеу және алу. Рентгендік  камералар  және  дифрактометрлер.

Зерттелетін кристалдық үлгіде рентген құрылымдық талдауды өткізген кезде толқын ұзындығы 0,07-ден – 1нм – ге дейін рентгендік сәуле жолына орналастырылады, ол кристалмен араласқан болады. Рентген құрылымдық талдауды өткізу үшін  зерттелетін кристалдың  жолында  рентгендік сәуле толқын ұзындығы 0,07-ден –1нм-ге дейін  бірлесіп әрекет жасайды. Соңында фотоэмульсия көмегімен немесе арнайы электрондық детектормен тіркелетін дифракциялық сурет болып шығады. Оны талдай отыра, кристалл торларының түйіндерінде атомдардың кеңістікті орналасуын, кристалдың элемен-тар ұяшықтарының өлшемін, олардың орналасу симметриясы мен бөлшектер санын анықтайды. Кристалдың  дифракциялы спектрін  зерттеген кезде (5) Вульф - Бреггің теңдеуі қолданылады. Рентген құрылымдық талдаудың  бірнеше әдістері өңделген.

Лауэ әдісін монокристалдардың  құрылымдарын зерттеу үшін қолданады. Жаппай спектрге ие монокристалды үлгіні рентген сәулесінің жолында орналастырамыз. Бұл монохроматсыз сәуле кристалға түскенде, онымен әрекеттесе отырып, дифракция нәтижесінде фотопленкада бірінші сәуле дағы арқылы өтетін эллипс, гипербола, түзу түрінде орналасқан қараңғылы дақ нүктелері пайда болады. Монокристалдың белгілі бір орналасуында алынған сурет кристалл симметрияларының құрылымдық сипаттамасынан өзге негізгі элементтерін орнатуға мүмкіндік береді (кристалдың элементарлық ұяшық мөлшері, ондағы  атомдардың саны  және т.б.).

Айналу әдісі. Оның мәні монохроматты рентген сәулесінің жолында  орналасқан монокристалдың өз осінің бойында сәуле бағытына перпендикуляр  кристалдағы негізгі кристаллографиялық бағыттармен әсіресе сәйкес келетін  бірқалыпты айналуынан құралған.  Мұндағы өзгергіш параметрі мұнда   бұрышы болып табылады. Цилиндрлік кассетада орналасқан кең фотопленкаға рентгенограмма түсіріледі. Белгілі бір   бұрыштарында пайда болатын шағылу сәулелері конустың жақтаулары бойынша таралады және фото-пленкамен қиылысу кездерінде қабатты дақтар деп аталатын сызық-тар қалдырады. Қабатты сызықтар аралығындағы қашықтықтар ар-қылы айналу осінің бағытындағы кристалл торының периодын есептейді. Бірақ бұл әдіс арқылы тербелу және рентгеногониометрия айналу әдістері сияқты   бұрышы  бар әрбір дақтың орналасуының қатынасын анықтамайды.