Контрольная работа по «Теоретические основы прогрессивных трехногий»

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФГОУ ВПО «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К.Д. ГЛИНКИ»

 

Факультет агрохимии, почвоведения и экологии

Кафедра агроэкологии

 

 

Контрольная работа №2

по дисциплине:

«Теоретические основы прогрессивных трехногий»

(Химия. Биотехнология)

 

 

 

 

Выполнила: студентка-

заочница

 

 

Руководитель:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Воронеж 2011

1. Дифракционные  методы исследования веществ. Рентгенография. Электронография.

Дифракция - явление волновое, оно наблюдается при распространении волн различной природы: дифракция света, звуковых волн, волн на поверхности жидкости и т.д. Дифракция при рассеянии частиц, с точки зрения классической физики, невозможна.

Квантовая механика устранила абсолютную грань между волной и частицей. Основным положением квантовой механики, описывающей поведение микрообъектов, является корпускулярно-волновой дуализм, т. е. двойственная природа микрочастиц. Так, поведение электронов в одних явлениях может быть описано на основе представлений о частицах, в других же, особенно в явлениях дифракции, - только на основе представления о волнах. Идея "волн материи" была высказана французским физиком Л. де Бройлем в 1924 и вскоре получила подтверждение в опытах по дифракции частиц.

Согласно квантовой механике, свободное движение частицы с массой m и импульсом р = mV (где V - скорость частицы) можно представить как плоскую монохроматическую волну y0 (волну де Бройля) с длиной волны

l = h / p (1)

распространяющуюся в том же направлении (например, в направлении оси х), в котором движется частица. Здесь h - постоянная Планка. Зависимость y0 от координаты х задаётся формулой

y0 ~ cos (k0x) (2)

где k0 = |k0| = 2p/l - так называемое волновое число, а волновой вектор направлен в сторону распространения волны, или вдоль движения частицы.

Таким образом, волновой вектор монохроматической волны, связанной со свободно движущейся микрочастицей, пропорционален её импульсу или обратно пропорционален длине волны.

При взаимодействии частицы с некоторым объектом – с кристаллом, молекулой и тому подобное – её энергия меняется: к ней добавляется потенциальная энергия этого взаимодействия, что приводит к изменению движения частицы. Соответственно меняется характер распространения связанной с частицей волны, причём это происходит согласно принципам, общим для всех волновых явлений. Поэтому основные геометрические закономерности дифракции частиц ничем не отличаются от закономерностей дифракции любых волн. Общим условием дифракции волн любой природы является соизмеримость длины падающей волны l с расстоянием d между рассеивающими центрами: l £ d.

Кристаллы обладают высокой степенью упорядоченности. Атомы в них располагаются в трёхмерно-периодической кристаллической решётке, т. е. образуют пространственную дифракционную решётку для соответствующих длин волн. Дифракция волн на такой решётке происходит в результате рассеяния на системах параллельных кристаллографических плоскостей, на которых в строгом порядке расположены рассеивающие центры.

При более высоких ускоряющих электрических напряжениях (десятках кв) электроны приобретают достаточную кинетическую энергию, чтобы проникать сквозь тонкие плёнки вещества  Тогда возникает так называемая дифракция быстрых электронов на прохождение.

Для лёгких атомов и молекул (Н, H2, Не) и температур в сотни градусов Кельвина длина волны l также составляет около 1 А . Дифрагирующие атомы или молекулы практически не проникают в глубь кристалла; поэтому можно считать, что их дифракция происходит при рассеянии от поверхности кристалла, т. е. как на плоской дифракционной решётке.

Выпущенный из сосуда и сформированный с помощью диафрагм молекулярный или атомный пучок направляют на кристалл и тем, или иным способом фиксируют "отражённые" дифракционные пучки.

Позже наблюдалась дифракция протонов, а также дифракция нейтронов, получившая широкое распространение как один из методов исследования структуры вещества. Так было доказано экспериментально, что волновые свойства присущи всем без исключения микрочастицам.

В широком смысле слова дифракционное рассеяние всегда имеет место при упругом рассеянии различных элементарных частиц атомами и атомными ядрами, а также друг другом. С другой стороны, представление о корпускулярно-волновом дуализме материи укрепилось при анализе явлений, всегда считавшихся типично волновыми, например дифракции рентгеновских лучей – коротких электромагнитных волн с длиной волны l " 0,5-5 Å . В то же время начальный и рассеянный пучки рентгеновских лучей можно рассматривать и регистрировать как поток частиц – фотонов, определяя с помощью счётчиков фотонов число фотонов рентгеновского излучения в этих пучках.

Следует подчеркнуть, что волновые свойства присущи каждой частице в отдельности. Образование дифракционной картины при рассеянии частиц интерпретируется в квантовой механике следующим образом. Прошедший через кристалл электрон в результате взаимодействия с кристаллической решёткой образца отклоняется от своего первоначального движения и попадает в некоторую точку фотопластинки, установленной за кристаллом для регистрации электронов. Войдя в фотографическую эмульсию, электрон проявляет себя как частица и вызывает фотохимическую реакцию. На первый взгляд попадание электрона в ту или иную точку пластинки носит совершенно произвольный характер. Но при длительной экспозиции постепенно возникает упорядоченная картина дифракционных максимумов и минимумов в распределении электронов, прошедших через кристалл.

Точно предсказать, в какое место фотопластинки попадёт данный электрон, нельзя, но можно указать вероятность его попадания после рассеяния в ту или иную точку пластинки. Эта вероятность определяется волновой функцией электрона y, точнее квадратом её модуля (т.к. н – комплексная функция) |y|2. Однако, поскольку вероятность при больших числах испытаний реализуется как достоверность, при многократном прохождении электрона через кристалл или, как это имеет место в реальных дифракционных экспериментах, при прохождении через образец пучка электронов, содержащего громадное количество частиц, величина |y|2 определяет уже распределение интенсивности в дифрагированных пучках. Таким образом, результирующая волновая функция электрона y, которую можно рассчитать, зная y0 и потенциальную энергию взаимодействия электрона с кристаллом, даёт полное описание дифракционного опыта в статистическом смысле.

Специфика дифракции различных частиц. Атомная амплитуда рассеяния. Вследствие общности геометрических принципов дифракции теория дифракции частиц многое заимствовала из развитой ранее теории дифракции рентгеновских лучей. Однако взаимодействие разного рода частиц – электронов, нейтронов, атомов и т.п. – с веществом имеет различную физическую природу. Поэтому при рассмотрении дифракции частиц на кристаллах, жидкостях и т.д. существенно знать, как рассеивает различные частицы изолированный атом вещества. Именно в рассеянии частиц отдельными атомами проявляется специфика дифракции различных частиц.

Дифракцию на любой системе атомов (молекуле, кристалле и т.п.) можно рассчитать, зная координаты их центров ri и атомные амплитуды fi для данного сорта частиц.

Наиболее ярко эффекты дифракции частиц выявляются при дифракции на кристаллах. Однако тепловое движение атомов в кристалле несколько изменяет условия дифракции, и интенсивность дифрагированных пучков с увеличением угла J в формуле (6) уменьшается. При дифракции частиц жидкостями, аморфными телами или молекулами газов, упорядоченность которых значительно ниже кристаллической, обычно наблюдается несколько размытых дифракционных максимумов.

Электронография (от электрон и ...графия), метод изучения структуры 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 так далее. 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).

Вид получаемых электронограмм зависит от характера исследуемых объектов. Электронограммы от плёнок, состоящих из кристалликов с достаточно точной взаимной ориентацией или тонких монокристаллических пластинок, образованы точками или пятнами (рефлексами) с правильным взаимным расположением. При частичной ориентации кристалликов в плёнках по определённому закону (текстуры) получаются отражения в виде дуг. Электронограммы от образцов, состоящих из беспорядочно расположенных кристалликов, образованы аналогично дебаеграммам равномерно зачернёнными окружностями, а при съёмке на движущуюся фотопластинку (кинематическая съёмка) – параллельными линиями. Перечисленные типы электронограмм получаются в результате упругого, преимущественно однократного, рассеяния (без обмена энергией с кристаллом). При многократном неупругом рассеянии возникают вторичные дифракционные картины от дифрагированных пучков. Подобные электронограммы называются кикучи-электронограммами (по имени получившего их впервые японского физика). Электронограммы от молекул газа содержат небольшое число диффузных ореолов.

В основе определения элементарной ячейки кристаллической структуры и её симметрии лежит измерение расположения рефлексов на электронограммах. Межплоскостное расстояние d в кристалле определяется из соотношения:

d = Ll/r,

где L - расстояние от рассеивающего образца до фотопластинки, l - дебройлевская длина волны электрона, определяемая его энергией, r - расстояние от рефлекса до центрального пятна, создаваемого нерассеянными электронами. Методы расчёта атомной структуры кристаллов в электронографии аналогичны применяемым в рентгеновском структурном анализе (изменяются лишь некоторые коэффициенты). Измерение интенсивностей рефлексов позволяет определить структурные амплитуды |Fhkl|. Распределение электростатического потенциала j(x, у, z) кристалла представляется в виде ряда Фурье. Максимальные значения j(x, у, z) соответствуют положениям атомов внутри элементарной ячейки кристалла. Таким образом, расчёт значений j(x, у, z), который обычно осуществляется ЭВМ, позволяет установить координаты х, у, z атомов, расстояния между ними и другие характеристики.

Методами электронографии были определены многие неизвестные атомные структуры, уточнены и дополнены рентгеноструктурные данные для большого числа веществ, в том числе множество цепных и циклических углеводородов, в которых впервые были локализованы атомы водорода, молекулы нитрилов переходных металлов (Fe, Cr, Ni, W), обширный класс окислов ниобия, ванадия и тантала с локализацией атомов N и О соответственно, а также 2- и 3-компонентных полупроводниковых соединений, глинистых минералов и слоистых структур. При помощи электронографии можно также изучать строение дефектных структур. В комплексе с электронной микроскопией электронография позволяет изучать степень совершенства структуры тонких кристаллических плёнок, используемых в различных областях современной техники. Для процессов эпитаксии существенным является контроль степени совершенства поверхности подложки до нанесения плёнок, который выполняется с помощью кикучи-электронограмм: даже незначительные нарушения её структуры приводят к размытию кикучи-линий.

Интенсивность каждой точки этих электронограмм определяется как молекулой в целом, так и входящими в неё атомами. Для структурных исследований важна молекулярная составляющая, атомную же составляющую рассматривают как фон и измеряют отношение молекулярной интенсивности к общей интенсивности в каждой точке электронограммы. Эти данные позволяют определять структуры молекул с числом атомов до 10-20, а также характер их тепловых колебаний в широком интервале температур. Таким путём изучено строение многих органических молекул, структуры молекул галогенидов, окислов и других соединений. Аналогичным методом проводят анализ атомной структуры ближнего порядка (см. Дальний порядок и ближний порядок) в аморфных телах, стеклах и жидкостях.