طیف سنج پراش اشعه ایکس یا (X-ray Diffraction (XRD بدلیل اینکه روش مستقیمی برای تعیین نوع فاز ها و ساختار بلورین مواد است، بسیارحائز اهمیت است. این روش با کشف لاوه در سال ۱۹۱۲، با درک این حقیقت شروع شد که بلورها، پرتوهای x را پراش می دهند و چگونگی این پراش ساختار بلور را آشکار می کند. در آغاز، پراش پرتو x فقط برای تعیین ساختار بلوری بکار برده می شد، اما پس از آن کاربردهای گسترده دیگری یافت. امروزه پرتو X برای تعیین عموم کمیات ساختار کریستالی از قبیل ثابت شبکه، هندسه شبکه، تعیین کیفی مواد ناشناس، تعیین فاز کریستال ها، تعیین اندازه کریستال ها، جهت گیری تک کریستال، استرس، تنش، عیوب شبکه وغیره، قابل استفاده می باشد. در ادامه این مجله به صورت مفصل به این موضوعات خواهیم پرداخت.
پرتو ایکس
پرتو ایکس تابش الکترومغناطیسی با طول موج 11-10 تا 8-10 می باشد که نخستین بار توسط ویلهلم کنراد رونگتن دانشمند و فیزیکدان آلمانی در سال 1895 کشف شد. این کشف بزرگ درحالی اتفاق افتاد که رونگتن بر روی تولید اشعه های کاتدی کار می کرد. جریان الکترون ها در لوله ی شیشه ای خلا، با برخورد به آند، پرتو ایکس را تولید کرده بود و بر روی یک فیلم عکاسی نزدیک به لوله ی کاتدی اثراتی را گذاشته بود. به دلیل ناشناخته بودن ماهیت پرتو کشف شده این پرتو را ایکس نامیدند.
تا قبل از سال 1912 میلادی از پرتو ایکس تنها برای رادیوگرافی استفاده می شد. در سال 1912 پاول ادوارد دانشجوی پروفسور سامرفیلد متوجه تفرق امواج نوری در عبور از درون بلور شد. در ادامه دو دانشجوی دیگر به نام های فردریک و نیپینگ موفق شدند با برخورد یک دسته ی باریک از پرتو ایکس به سطح یک بلور ZnS و مشاهده ی اثر آن بر روی فیلم عکاسی، اثبات کنند که ذرات اتم ها طبق یک نظم در کنار هم قرار گرفته اند، فاصله ی بین اتم ها و صفحات بلوری دارای یک نظم خاص می باشد و پرتو ایکس در درون بلور متفرق می شود.
در سال 1914 ویلیام هنری براگ و پسرش ولیام لارنس براگ پراش پرتو ایکس را به صورت هندسی نشان دادند و روابط ریاضی ساده ای برای این پدیده به دست آوردند. در ابتدا آنها بلور NaCl را مورد مطالعه قرار دادند و در سال های بعد بسیاری از بلور ها توسط آنها مشخصه یابی شد.
تا قبل از این اکتشافات در سال 1912، تنها از روی سطوح شکست بلورها، خواص نوری و نظم و ترتیب شکل خارجی بلورها حدس هایی درباره نظم ساختاری بلور ها زده می شد و تصور هندسی بلورها تنها نظریه ای بر پایه ی حدس و گمان بود. با این اکتشافات، نه تنها ساختار بلکه موقعیت اتم ها و یون ها در بلور و نیز فواصل بین سطوح اتمی قابل اندازه گیری شد.
تولید اشعه ی ایکس
برای تولید پرتوایکس در یک لوله ی خلا، یک شتابدهنده و یک ماده ی هدف مورد نیاز است. در این لوله فاصله ای بین آند و کاتد وجود دارد. کاتد منبع تولید الکترون و آند ماده ی هدف در این فرآیند می باشد. در اثر برخورد الکترون ها با سرعت زیاد به ماده ی هدف پرتو ایکس تولید می گردد. از ولتاژ یکسو کننده نیز برای شتاب دادن به الکترون ها استفاده می شود. وقتی ولتاژ از یک حد آستانه عبور کند، باریکه ای از الکترون ها از کاتد به سمت آند پرتاب می شود که سرعت حرکت آنها با تغییر ولتاژ تغییر خواهد کرد.
اگر ولتاژ در درون لوله ی خلا تا یک حد بحرانی افزایش یابد، در اثر برخورد این الکترون ها با سرعت زیاد به ماده ی هدف، پرتو ایکس پیوسته تولید می شود و با افزایش بیشتر ولتاژ، بیشینه شدت نسبی پرتوایکس تولید شده افزایش می یابد و به سمت تولید موج های کوتاه تر می رود. با افزایش مجدد این ولتاژ، طیف هایی باریک با شدت زیاد تولید می شود که به آنها طیف های ویژه (تکفام) گفته می شود که در بلور شناسی کاربرد فراوان دارند.
ماده هدف
ولتاژهای آستانه (بحرانی) به جنس ماده ی هدف بستگی دارند. ماده ی هدف را معمولا از جنس های فلزی انتخاب می کنند، زیرا در اثر برخورد الکترون ها با ماده ی هدف عمده ی انرژی به گرما تبدیل می شود. پس باید ماده ی هدف را خنک کرد که در اثر برخورد الکترون ها ذوب نشود. معمولا ماده ی هدف متداول برای تولید پرتو ایکس از جنس مولیبدن (Mo)، مس (Cu)، کروم (Cr) یا آهن (Fe) است.
یک اتم از یک هسته تشکیل شده که الکترون ها در لایه های مختلف بع دور آن می چرخند. هریک از این الکترون ها دارای انرژی مشخصی هستند. لایه ی اول الکترون ها که به دور هسته می چرخند لایه ی k نام دارد و به ترتیب بقیه ی لایه هارا L و M می نامند. وقتی این اتم با جریانی از الکترون ها بمباران شده و این الکترون ها نیز انرژی لازم برای خارج کردن یک الکترون از لایه ی k را داشته باشند، یک الکترون از لایه ی k خارج شده و اتم برانگیخته می شود.
در این حالت اتم سطح انرژی بسیار بالایی دارد و بلافاصله برای کم کردن این سطح انرژی، یک الکترون از لایه های دور تر نسبت به هسته به محل خالی الکترون لایه ی k می رود. با سقوط این الکترون، اختلاف انرژی این دولایه به صورت پرتوی آزاد می گردد که این پرتو را پرتو ایکس می نامند. اگر این الکترون از لایه ی L به لایه ی k سقوط کرده باشد، پرتو ایجاد شده را Kᵅ و اگر این الکترون از لایه ی M به لایه ی k سقوط کرده باشد آنرا Kᵦ می نامند. این پرتوهای تکفام ایجاد شده برای هر آند طول موج مشخصی دارند و از این رو به این پرتو ها، پرتو های ویژه یا مشخصه گفته می شود.
نمونه:
• در پراش اشعه ایکس (XRD) نمونه می تواند قطعه، ورقه نازک یا پودری شکل باشد.
• نمونه مجهول باید به طور کامل صاف باشد.
• نمونه های فلزی به طور مستقیم و به شکل صفحه صاف در جا نمونه ای قرار داده می شوند.
• بهتر است که پودر را تا زیر 10 میکرومتر نرم نمود و به هنگام قرار دادن آن در جا نمونه ای از فشردن بیش از حد که باعث آرایش ترجیحی فازها گردد دوری کرد.
• نمونه ای با ذرات کوچکتر منجر به پهن شدگی قله ها در نمودار پراش می شود.
• در نمون های با ذرات بزرگتر، شاهد برجسته تر شدن جهتی خاص از صفحات هستیم که این امر باعث افزایش شدت اشعه پراشیده نسبت به حالت کاملاً تصادفی، برای برخی از صفحات می شود.
کاربرد های پراش اشعه ایکس (XRD)
• تعیین فاز (phase identification)
• بلورینگی (crystallinity)
• اندازه کریستالی (crystalline size)
• تنش پسماند (residual stress)
• پارامترهای شبکه (Lattice Parameters)
• پراش سنجی دما بالا (High Temperature Diffraction)
مزایا
• تکنیکی کم هزینه و پر کاربرد است.
• اطلاعات بدست آمده از پراش اشعه ایکس، وابسته به طیف وسیعی از خصوصیات و کمیات کریستال ها میباشد.
• عدم نیاز به خلاء که باعث کاهش هزینه ی ساخت می شود.
• تکنیکی غیر تماسی و غیر مخرب می باشد.
• نیاز به آماده سازی سخت و مشکل ندارد.
معایب
• رزلوشن و تفکیک اشعه پراشیده شده، پایین است.
• شدت اشعه پراشیده شده، نسبت به پراش الکترونی، کمتر است.
• نیاز به استفاده از نمونه بزرگتر که منجر به تعیین اطلاعات به صورت میانگین در XRD می شود.
• شدت اشعه پراشیده شده، برای عناصر سبکترکمتر بوده و کا ر را برای پراش اشعه ایکس مشکل می کند.
