Analytické metody využívající X- rays SUPMAT – Podpora vzděl á v á n í pracovn í ků center pokročilých stavebn í ch materi á lů Registračn í č í slo CZ.1.07/2.3.00/20.0111.

Prezentace na téma: "Analytické metody využívající X- rays SUPMAT – Podpora vzděl á v á n í pracovn í ků center pokročilých stavebn í ch materi á lů Registračn í č í slo CZ.1.07/2.3.00/20.0111."— Transkript prezentace:

1 Analytické metody využívající X- rays SUPMAT – Podpora vzděl á v á n í pracovn í ků center pokročilých stavebn í ch materi á lů Registračn í č í slo CZ.1.07/2.3.00/20.0111 Tento projekt je spolufinancov á n Evropským soci á ln í m fondem a st á tn í m rozpočtem Česk é republiky.

2 o Metody využívající interakce rentgenova záření lze v oblasti analýz stavebních materiálů rozdělit na: o Metody založené na difrakci RTG záření, o Metody fluorescenční spektroskopie. o RTG paprsky - elektromagnetické záření, jehož vlnové délky leží v intervalu 10 -8 až 10 -12 m (vzdálenost atomů v krystalové mřížce 10 -10 m, o Energie záření se udává zpravidla v elektronvoltech /eV/.

3 Typy RTG záření oExistují dva typy rentgenového záření - tzv. brzdné rentgenové záření a charakteristické rentgenové záření. Obr. 24: Schéma rentgenovy lampy [2]

4 oBrzdné RTG záření - Rychle letící elektrony se po dopadu na terč brzdí a dochází ke změně jejich dráhy. Energie, kterou elektrony při průchodu terčem ztratily se vyzáří ve formě tzv. brzdného rentgenova záření. oToto záření je charakteristické širokým, spojitým energetickým spektrem. Energie brzdného, (RTG) záření nezávisí na materiálu terče (např. anody rentgenovy trubice), ale jen na rychlosti elektronů. (tedy na velikosti napětí na anodě rentgenovy trubice).

5 oCharakteristické RTG záření - jeho energie nezávisí na napětí, ale jen na materiálu anody. Takové rentgenové záření je charakteristické pro konkrétní prvek; jeho energie je tím vyšší, čím vyšší je protonové číslo materiálu anod. oLetící elektron v tomto případě odevzdá svou kinetickou energii elektronu vnitřní slupky atomového obalu materiálu anody až dojde k jeho excitaci nebo ionizaci. Návrat do základního energetického stavu je spojen s vyzářením fotonu charakteristického rentgenového záření.

6 oCharakteristické záření se označuje následujícím způsobem: oprvkem anody, oenergetickou hladinou, ze které byl elektron vyražen, oz kolikáté hladiny se uskutečnil přeskok elektronu na uprázdněné místo a to tak, že od hladiny, z níž byl elektron vyražen, se první následující hladina označuje , další  atd. Např. Cu L  znamená, že byl elektron hladiny L nahrazen elektronem z hladiny N

7 oČáry charakteristického záření na pozadí spektra spojitého. Vlnová délka charakteristické čáry ( označena Kb, Ka) závisí na protonovém čísle materiálu anody.

8 Metody atomové spektroskopie subvalenčních elektronů oRentgonfluorescenční analýza – k ionizaci se využívá rentgenové záření a detekuje se vzniklé charakteristické RTG záření, oFotoelektronová spektroskopie – ionizuje se RT nebo UV zářením a detekuje se kinetické energie elektronů vzniklých ionzací, oAugerova spekroskopie – ionizuje se svazkem urychlených elektronů a detekuje se energie tzv. Augerových elektronů, oRentgenová absorbční spektroskopie – měří se spektrum absorbovaného RTG záření, oRentgonová difrakční analýza – měří se interakce RTG záření na krystalové mřížce látky.

9 Rentgenová difrakční analýza (RTG, XRD analýza) oRentgenová difrakční analýza slouží pro identifikaci krystalických látek (minerálů) ve vzorku. oPoužívá se zejména pro kvalitativní stanovení složení materiálu (tzn. „co tam je“). Pro kvantitativní stanovení (tzn. „kolik tam toho je“) lze tuto metodu využít pouze tehdy, jsou li k dispozici standardy, oČastěji se tedy pro kvantitativní stanovení používají jiné metody, které RTG analýzu doplňuji – např. DTA analýza.

10 Krystalografické soustavy oZákladem vnitřní struktury krystalických materiálů je krystalová mřížka, oPro krystalovou mřížku je charakteristické pravidelné rozložení atomů (iontů) v prostoru podle určitého geometrického uspořádání a souměrnosti, oNejmenší geometrický element (rovnoběžnostěn), jehož opakováním lze vytvořit celou krystalovou mřížku, nazýváme elementární buňkou.

11 Krystalografické soustavy 1. trojklonná (triklinická, klencová) – nejobecnější, a≠b ≠c ≠a,  ≠  ≠  2. jednoklonná (monoklinická) - a≠b ≠c ≠a,   ≠  ≠  ≠  – sádrovec, 3. kosočtverečná (ortorombická) - a≠b ≠c ≠a,   =     4. čtverečná (tetragonální) – a=b ≠c,   =    5. krychlová (kubická) - a=b =c,   =    –NaCl, 6. šesterečná (hexagonální) - a=b ≠c,   =  ,    portlandit 7. klencová (trigonální rombická) - a=b =c,   =  ≠   – kalcit

12 Krystalografické soustavy oPopisu a hodnocení vlastností v různých krystalografických rovinách a směrech - Millerovy indexy. oMillerovými indexy roviny (hkl) jsou reciproké hodnoty úseků, které tato rovina vytíná na osách (x,y,z) převedené na nejmenší nesoudělná čísla, oMillerův index krystalografického směru [uvw] (tj. směr který prochází libovolným uzlovým bodem) získáme tak, že s daným směrem vedeme rovnoběžku z počátku souřadného systému.

13 Difrakce RTG záření oPravidelné uspořádání atomů v krystalech může hrát při průchodu RTG paprsků látkou sehrávat úlohu tzv. trojrozměrné difrakční mřížky (difrakce – ohyb), oRentgenové paprsky po průchodu nebo po odrazu na krystalu dávají vznik tzv. difrakčnímu obrazu s charakteristickými maximy a minimy intenzity difrakčních skvrn.

14 oPo vyvolání se na filmu nacházejí uspořádané difrakční stopy (Max von Laue – 1913) odpovídající pravidelnému rozmístění atomů v krystalu. oW.H. Bragg prokázal jak lze z difrakčních obrazů určit souměrnost krystalu, vzájemnou polohu stavebních částic (atomů, iontů) i jejich vzdálenosti v krystalových mřížkách.

15 oZ analýzy intenzity difrakčních skvrn na filmech dospěli k závěru, že krystal se chová tak, jako by obsahoval velké množství rovin umístěných jedna za druhou v určitých vzdálenostech, oRentgenové paprsky po průchodu nebo po odrazu na krystalu dávají vznik difrakčnímu obrazu s charakteristickými maximy a minimy intenzity difrakčních skvrn.

16 ointerferenční maximum difraktovaných paprsků nastává v případě, že jejich dráhový rozdíl je roven celistvému násobku vlnové délky dopadajícího záření.

17 Braggova podmínka 2d.sin  =n. n=1,2,3....

18 Princip RTG analýzy oJestliže známe hodnoty souboru mezirovinných vzdáleností různých minerálů a známe-li velikosti mezirovinných vzdáleností zkoumané látky, můžeme určit, jaké minerály jsou ve zkoumané látce obsaženy, oTuto metodu lze tedy použít ke stanovení mineralogického (fázového) složení všech látek, které mají krystalický charakter.

19 Studium polykrystalických látek oPolykrystalický materiál se skládá z velkého počtu malých nezávisle difraktujících krystalků, které jsou rozloženy zcela náhodně, oKaždý krystalek představuje monokrystal a tyto monokrystalky jsou vůči sobě různě natočeny. oZákladní metoda, která se používá pro polykrystalické látky, a která je zdaleka nejvyužívanější metodou na poli aplikace difrakce rentgenových paprsků, je Debyeova- Scherrerova metoda.

20 Princip Debyeovy- Scherrerovy metody

21 Schéma přístroje pro RTG analýzu oV goniometru umístěn vzorek, který se otáčí kolem hlavní osy goniometru, oPo obvodu kružnice, se pohybuje detektor difraktovaného záření s dvojnásobnou úhlovou rychlostí než vzorek. oPři dopadu rentgenového záření na vzorek zaznamená detektor při určitých úhlech ostrá maxima intenzity difrakčních linií.

22 Příprava vzorků oVzorky pro rentgenovou difrakční analýzu je nutno převést do velmi jemného práškovitého stavu – velikost částic pod 63 µm, oUpravený vzorek se umístí do nosiče, který má tvar plošné formičky obdélníkového nebo kruhového tvaru. Přitlačením krycího skla na vzorek v nosiči se zarovná jeho povrch do jedné roviny s povrchem nosiče. oPráškový materiál - malý objem analyzované látky sestává z velkého počtu mikroskopických zrn (krystalitů), nejrůzněji orientovaných. Vzhledem k velkému množství těchto mikrozrn je i četnost krystalitů, orientovaných souhlasně s rovinou vzorku v nosiči dostačující k průkazné analýze.

23 Specifikace přístroje -rentgenové záření (materiál anody) Cu K  vlnová délka záření Cu K  - = 0,15405 nm napětí / proud: 40 kV / 25 mA

24 Metoda SAXS, USAXS oZáznam „klasické“ XRD analýzy teoreticky začíná na 2 0 (praxe spíše 5-6 0 ) dopadu RTG záření na vzorek. oTyto úhly jsou nedostatečné pro analýzu gelových struktur, případně nanomateriálů oMetoda SAXS tyto nevýhody odbourává. oModerní přístroje pro XRD analýzu – Rietveldovské rozhraní, SAXS, možnost práce s průchozími paprsky – stopové vzorky, teplotní komůrky – možnost analýz až do 2000 0 C. Možnost tomografie!!!

25 o.o.

26 Rentgenová fluorescenční analýza (XRF) oJe to analýza s využitím emise charakteristického záření X : Charakteristické záření je buzeno vhodným primárním zářením; detekujeme charakteristické rentgenové záření, které vzniká právě při emisi elektronu. Na jeho volné místo se dostává jiný elektron, z jiné energetické hladiny, a rozdíl těchto energií se vyzáří jako foton záření, který je detekována, oZdroj primárního RTG záření – rentgenka či radioizotop: oCo probíhá v analyzovaném vzorku probíhá: budící záření je absorbováno a rozptylováno ve vzorku, jako výsledek absorpce jsou atomy vzorku excitovány excitované atomy přecházejí zpět do základního stavu s emisí charakteristického záření X nebo Augerových elektronů

27 oSpektrometry lze rozdělit na: Vlnově dispersní – k monochromatizaci se používá krystal – Braggova podmínka, Energiově dispersní –viz. obr. oProstor u vzorku (měřící cela) je vakuován.

28 Detekce spektra oPoužívány jsou tři základní typy detektorů: oPlynově proporcionální – změna vodivosti plynu ionizovaného dopadajícím zářením, oScintilační, oPolovodičový. oEnergie primárního záření je dán pracovní rozsah přístroje – je možno detekovat jen určitou část prvků periodické tabulky.

29 Vzorky- příprava oDle typu přístroje lze analýzy provádět na všech třech skupenstvích. oV oblasti silikátových materiálů – lisováni tablet, materiál mísen s vhodným typem pojiva. oVyhodnocování – přístroj měří počet impulzů, je nutno kalibrovat dle výsledků chemických rozborů.