Дифракция атомных частиц

Применение нейтронов для исследования атомно молекулярной структуры вещества основано на явлении дифракции (рассеяния) этих частиц. Используют медленные нейтроны с энергией 2-10- — 2-10- эВ, что согласно формуле [c.37]

Физические свойства вещества зависят от атомного состава, структуры, характера движения и взаимодействия частиц. Для определения этих параметров используются разнообразные физические методы исследования. К ним относятся методы, основанные на явлении дифракции рентгеновского излучения, электронов п нейтронов. Явление дифракции рентгеновских лучей на монокристаллах было открыто М. Лауз в 1912 г. Оно явилось началом рентгеноструктурного анализа твердых тел, жидкостей и газов. Советские ученые А. Ф. Иоффе, С. Т. Конобеевский, Н. Е. Успенский, Н. Я. Селяков одними из первых применили рентгеноструктурный метод для определения геометрических размеров кристаллических решеток и их пространственной симметрии, нахождения координат атомов кристалла, обнаружения преимущественных ориентировок (текстур), возникающих при деформации твердых тел, исследования внутренних напряжений, построения диаграмм состояния. Их основополагающие работы в этой области получили дальнейшее развитие в трудах Г. В. Курдюмова, Г. С. Жданова, Н. В. Белова, В. И. Данилова, В. И. Ивероновой, А. И. Китайгородского, Б. К. Вайнштейна и др. [c.4]

Согласно де Бройлю, движущийся электрон обладает волновыми свойствами. Луч света ведет себя также либо как волновой пакет, либо как поток корпускул. В явлениях интерференции и дифракции свет ведет себя как волна, при взаимодействии с атомными частицами — как поток корпускул. Кванты света, или фотоны, обладают определенной энергией h h — квант действия Планка, v — частота). Масса т и длина волны X фотонов определяются по уравнению Эйнштейна [c.8]

Наличие в жидкости пространственного упорядочения молекул подтверждается экспериментальными данными по рассеянию света, дифракции рентгеновского излучения, нейтронов и электронов. Рентгеноструктурные исследования показали, что в жидкостях, состоящих из многоатомных молекул, наблюдается не только упорядоченное расположение молекул, но и известная закономерность во взаимной ориентации частиц. Эта ориентация усиливается для полярных молекул я при формировании водородной связи. Однако, как видно на рис, 21, только в окрестности данной частицы наблюдается закономерное расположение соседних частиц. При удалении от рассматриваемой частицы А на расстояние порядка 10 атомных расстояний закономерное расположение частиц нарушается. [c.35]

Атомная структура вещества изучается с помощью анализа картины дифракции, т. е. распределения интенсив-тости рассеяния объектом излучений с достаточно малой длиной волны. С помощью дифракционных методов анализируют строение вещества в газообразном (строение молекул) и конденсированных состояниях. При изучении кристаллической структуры эти методы дают сведения о характере правильного периодического расположения частиц, образующих кристаллическую решетку, и о нарушениях этой периодичности (дефектах кристаллического строения). [c.160]

Современное описание состояния электрона в атоме дается квантовой механикой, которая изучает движение и взаимодействие микрочастиц, т. е. элементарных частиц, атомов, молекул и атомных ядер. Главный тезис квантовой механики — микрочастицы имеют волновую природу, а волны — свойства частиц. Применительно к электрону можно сказать, что он ведет себя и как частица, и как волна, т. е. обладает, как и другие микрочастицы, корпускулярно-волновым дуализмом (двойственностью). С одной стороны, электроны как частицы производят давление, с другой стороны, движущийся поток электронов обнаруживает волновые явления, например дифракцию электронов. [c.23]

Наоборот, если предположить, что радиус частицы известен, можно приближенно определить В настоящее время определение атомного строения твердых тел осуществляют методами дифракции рентгеновских лучей или электронов (см. разд. 6.4.1). Кроме того, с помощью электронного или ионного микроскопа его можно непосредственно наблюдать. Реальные состояния веществ, интересующие химика, лежат между граничными случаями — идеальным газом и идеальным твердым телом. Ниже будут рассмотрены несколько более подробно определенные типы таких промежуточных состояний, как жидкости и реальные газы , [c.17]

Большой опыт пионеров кристаллографии позволял им определить из наблюдений за формой и морфологией кристаллов свойства их симметрии, а значит и тип, даже если грани кристалла совершенно не напоминали его элементарную ячейку. Сегодня для определения типа кристаллической структуры служат эффективные методы дифракции рентгеновских, электронных и нейтронных лучей, непосредственно дающие сведения о микроскопическом строении твердого тела и применимые даже в случае очень тонких кристаллитов. Эти современные методы исследования основаны на дифракции волн в трехмерной периодической решетке кристалла. В 1912 г. физики Лауэ и Фридрих впервые доказали, что при прохождении рентгеновских лучей через кристалл возникают характерные картины дифракции. Позднее аналогичные явления наблюдались при использовании электронных и нейтронных лучей. Согласно закономерностям квантовой теории дифракция основана на волновых свойствах частиц По положению максимума дифракции и его интенсивности можно определить не только тип кристаллической структуры, но и точное расстояние между частицами в решетке, а также другие важные характеристики кристалла. Использование современных высокоавтоматизированных приборов для изучения структуры и точная обработка экспериментальных данных с помощью ЭВМ позволяют с большой точностью измерять атомное строение материала. Данные, полученные таким образом, являются основной предпосылкой для глубокого проникновения в свойства материалов на атомно-теоретическом уровне и способствуют разработке новых способов получения высокочистых материалов. [c.63]

Дифракция рентгеновских лучей в кристаллах. Рентгеновские лучи являются, как известно, поперечными электромагнитными волнами такой же природы, что и свет, но со значительно меньшей длиной волны (10 —10 см по сравнению с 10 см у видимого света). Когда рентгеновские лучи взаимодействуют с материальными частицами (атомами или ионами), содержащимися в плоскостях кристаллической решетки, каждая частица становится центром испускания сферической волны. Этот эффект обусловлен электронными оболочками, окрун<аю-щими каждый атом (см. ниже). Испускаемые излучения интерферируют, усиливая друг друга в определенных направлениях и гася в других. Эти направления обусловлены углом падения рентгеновских лучей и расстоянием между параллельными плоскостями атомов в кристалле. Таким образом, на фотографической пленке получается ряд пятен или колец (в зависимости от того, работают ли с монокристаллом или с кристаллическим порошком, спрессованным в таблетку), по положению которых можно определить расстояние между атомными плоскостями кристалла. [c.84]

Согласно волновой теории света, явления преломления и дифракции света можно понять, зная законы распространения волн. Для объяснения других свойств света, таких как линейчатый вид атомных спектров и фотоэлектрический эффект, необходимо обратиться к корпускулярной (фотонной) теории света. Такая двойственная природа света побудила в 1924 г. де Бройля задуматься над вопросом не мо-Свег (1аспро1 пп я( тся гут ли и частицы обладать некоторыми волновыми как волна, но он имеет свойствами Он высказал предположение, что длина также ряд сеи йстп, волны X для частицы с массой т, движущейся со характерчь X дчя часки скоростью и, определяется уравнением [c.42]

Пока речь шла о рентгеновских лучах, мы могли представлять молекулу как совокупность отдельных атомов, которые являются сферически-симметричными рассеивающими центрами. В случае света такое представление, строго говоря, неверно. Кроме того, мы в значительной степени игнорировали тот факт, что молекулы неизбежно отличаются от своего окружения (обладают определенным контрастом на фоне растворителя). Для рассеяния света зто обстоятельство становится важным. Однако наиболее существенные результаты представление рассеяния в виде преобразования Фурье и интерференционные эффекты, определяемые парами атомов, — полностью сохраняются, какое бы излучение ни использовалось. На самом деле совсем не обязательно, чтобы это было электромагнитное излучение. Частицы, подобные электронам и нейтронам, обладают свойствами поперечных волн, у которых длина волны зависит от энергии частицы. Таким образом, рассеяние и дифракцию электронов и нейтронов также можно описать ранее полученными уравнениями, внеся в них лишь небольшие изменения. В случае электронов и нейтронов атомные рассеивающие факторы должны быть заменены иными характеристиками взаимодействия излучения с веществом. [c.428]

Дифракционные методы. В дифракционных методах исследования рентгеновское излучение, поток электронов или нейтронов взаимодействуют с атомами в молекулах, жидкостях или кристаллах. При этом исследуемое вешество играет роль дифракционной решетки. А длина волны рентгеновских квантов, электронов и нейтронов должна быть соизмерима с межатомными расстояниями в молекулах или между частицами в жидкостях и твердых телах. Сама же дифракция (закономерное чередование максимумов и минимумов) представляет собой результат интерференции волн. Она зависит от химического и кристаллохимического строения, следовательно, соответствует структуре исследуемого вещества. Поэтому есть принципиальная возможность для решения обратной задачи дифракции, т. е. установление структуры вещества по его дифракционной картине. Обратная задача дифракции для рентгеновского излучения, дифрагирующего в конденсированных средах, называется рентгеноструктурным анализом. Методы применения электронных и нейтронных пучков вместо рентгеновского излучения называются электронографией и нейтронографией соответственно. Общим для этих методов является анализ углового распределения интенсивности рассеянного рентгеновского излучения, нейтронов и электронов в результате взаимодействия с веществом. Но природа рассеяния рентгеновских квантов, нейтронов и электронов не одинакова. Рентгеновское излучение рассеивается электронами атомов, входящими в состав вещества. Нейтроны же рассеиваются атомными ядрами а электроны — электрическим полем ядер и электронных оболочек атомов. Интенсивность рассеяния электронов пропорциональна электростатическому потенциалу атомов. [c.195]

Как отмечалось в гл. 17, электроны в атомах движутся со скоростями, составляющими заметную долю от скорости света. Следовательно, для описания атомных систем необходимым оказалось одновременное привлечение и квантовой механики, и теории относительности. Слияние двух важнейших разделов механики привело к рождению квантовой теории электромагнитного поля—кван-тпвой электродинамики. Олин из важнейших выводов квантовой электродинамики — представление о двойственной природе быстродвижуи ихся микрообъектов, которые проявляют себя и как частицы корпускулы), и как волны. Такая двойственная природа впервые была установлена для света. Разрабатывая теорию света, ученые первой половины XIX в. доказали, что он представляет собой электромагнитные колебания и проявлениями его волновой природы являются преломление, интерференция, дифракция и др. Однако с позиций волновой природы не удавалось объяснить открытый в 1889 г. А. Г. Столетовым фотоэффект (испускание металлом или полупроводником электронов под действием света). Считалось, что энергия электромагнитных колебаний накапливается постепенно, по мере поступления, между началом освещения и моментом вылета электрона должно проходить длительное время. Опыт же показывал, что фотоэффект можно наблюдать в момент освещения металла. [c.201]

Рентгеновский структурный анализ компонентов битума заключается в исследовании его атомной структуры путем изучения дифракции и рассеяния рентгеновских лучей. При помощи рентгеноскопии установлено, что битумы, хорощо зарекомендовавщие себя при практическом использовании, имеют небольщой угол рассеивания и что между содержанием серы и углом рассеивания имеется взаимосвязь с возрастанием содержания серы в битуме частицы дисперсной фазы битума укрупняются, угол рассеивания уменьшается. [c.26]

Ядро занимает лишь незначительную часть обш его объема атома, хотя концентрирует почти всю массу атома. Вокруг ядра группируются электроны. Оин вносят очень небольшой вклад в обшую массу атома, но зато занимают большой объем и обусловливают размеры атома. Главная концепция современной теории микромира состоит в том, что в атомной шкале частицы и волны незаметно переходят друг в друга, т.е. частицы имеют свойства воли, а волны - свойства частиц. Несмотря на то, что волновая природа фотонов (то есть света) была установлена давно, почти инкто до 1925 г. не принимал всерьез точку зрения, согласно которой вещество (например, электроны, атомы) подобно волне, а не корпускулярно. Но в 1925 г. Дэвиссон и Джермер открьпш дифракцию (т.е. волновые свойства) электронов на кристаллической решетке. Опыт по дифракции, позднее проведенный с другими частицами, включая молекулярный водород, четко показал, что частицы имеют волновые свойства. [c.5]

Функция в уравнении Шрёдингера называется волновой функцией и определяет амплитуду стоячей электронной волны. Физический смысл имеет величина г1й(1ь , равная вероятности нахождения электрона в элементарном объеме = = хйуйг. Таким образом, квантовая механика дает лишь вероятность нахождения электрона в том или ином месте атомной системы. Поэтому такие понятия, как траектория частицы (например, электронная орбита), в квантовой механике не имеют смысла. В соответствии с физическим смыслом сама волновая функция должна удовлетворять определенным условиям, которые называются стандартными. Согласно последним, волновая функция должна быть 1) непрерывной, так как состояние квантовой системы в пространстве меняется непрерывно 2) конечной, т.е. она не должна обращаться в бесконечность ни при каких значениях аргументов 3) однозначной, ибо по смыслу ф есть амплитуда вероятности, а потому для любой данной точки она может иметь только одно значение 4) обращаться в нуль на бесконечности. Кроме того, функция ф должна быть нормированной. Это означает, что суммарная вероятность нахождения электрона в околоядерном пространстве должна быть равна единице, т.е. результат проявления волновокорпускулярного дуализма не ведет к исчезновению электрона. Математически условие нормировки записывается как Jф dv — 1, т.е. суммирование (точнее, интегрирование) ведется по всему объему значений каждой из координат от — оо до + ОС. Из статистической интерпретации волновой функции возникает вопрос, обладает ли волновыми свойствами отдельная микрочастица или они присущи коллективу их. В опытах по дифракции электронных пучков очень малой интен- [c.29]

СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ - анализ структуры материала и его дефектов. Для исследования атомно-кристаллической структуры исполт,зуют дифракцию и рассеяние рентгеновских лучей (см. Рентгеноструктурный анализ), электронов (см. Электронографический анализ) и нейтронов (см. Нейтронографический анализ). Получили распространение методы анализа с использованием ориентационных эффектов при рассеянии тяжелых заряженных частиц (см. Ме-тодом ориентационных аффектов анализ), а также автоионный микроскопический анализ, в к-ром используют ионизацию атомов (или моле-ку.т) газа в неоднородном электр. поле у поверхности образца. При рассеянии потоков излучений атомами, находящимися в узлах идеальной кристаллической решетки, возникают резкие максимумы и диффузный фон вследствие комптоновского рассеяния. По положению и интенсивности максимумов определяют тип кристаллической решетки, размеры элементарной ячейки и расположение атомов в ней. Нарушения идеальности кристалла, напр, колебания атомов, наличие атомов различных хим. элементов, дислокаций, частиц новой фазы и др., изменяют положение, форму и интенсивность максимумов и вызывают дополнительное диффузное рассеяние, что дает возможность получать информацию об этих нару-шеннях. Дифракционными методалш изучают также строение веществ (напр., аморфных), пе обладающих строгой трехмерной периодичностью. Теории дифракции всех излучений имеют много общего, в то же время в них есть особенности, обусловли- [c.470]

В углероде (саже), полученном в пламени, всегда содержится около 1 вес.% водорода. Исходя из атомных весов и этой пропорции можно получить эмпирическую формулу образующегося вещества СвН. Из электронной микроскопии следует, что исследуемый углерод состоит из множества почти сферических частиц разного размера, часто соединенных друг с другом в цепочки подобно жемчужинам в ожерелье. Диаметр частиц изменяется от 100 до 2000 А, но наибольшее число частиц имеет диаметр в интервале 100—500 А. Маленькие частицы получены в светящемся, некоптящем пламени (т. е. при более высоких температурах), тогда как самые большие получаются в сильно коптящем пламени (низкие температуры) [21]. Рентгеновский анализ показал, что каждая частица состоит из множества (примерно 10 ) кристаллитов. Из данных по дифракции электронов следует, что каждый кристаллит в свою очередь состоит из 5—10 моноатомных слоев углерода (аналогичных базисным плоскостям идеальной решетки графита). Каждый слой состоит из 100 углеродных атомов и имеет 20—30 А по плоскости. Плоскости, хотя и параллельные друг другу и находящиеся на одинаковом расстоянии друг от друга, имеют турбостратическую структуру [22, 23], так что они беспорядочно сдвинуты одна относительно другой. Межплоскостное расстояние (3,44 А) значительно больше, чем для идеального графита (3,35 А). Основываясь на этих данных о структуре частиц дисперсного углерода, можно рассчитать, что в среднем каждая сферическая частица содержит 105—1Q6 атомов углерода. Основной проблемой в изучении этого вопроса является механизм, по которому сравнительно простая молекула углеводорода, содержащая небольшое количество атомов углерода, так быстро превращается в такой огромный агрегат. [c.269]

В 1929 г. Штерн и Эстерман показали, что дифракцию испыты ваюти атомарные пучки (в их опытах — пучки атомарного водорода). После экспериментального открытия нейтрона Чедвиком в 1932 г., в ходе последующего изучения свойств этой частицы, ]Митчел и Пауэрс в 1936 г. показали способность к дифрагированию и нейтронов. Однако использованию этого свойства нейтронов для структурного анализа препятствовала трудность в получении достаточно интенсивных пучков нейтронов. Развиваться нейтронография начала только после лабораторного применения с конца 40-х годов атомных реакторов в качестве мощных источников нейтронов, причем так называемых тепловых нейтронов, которым отвечают длины волн, близкие к длинам волн рентгеновского излучения. Первый нейтронный спектрометр был создан в США в 1945 г. Преимущество нейтронографии перед рентгенографией заключается в возможности фиксировать положения атомов водорода. Однако, судя по монографии Бэкона, вышедшей в 1955 г. [91], за первое десятилетие существования нейтронографии она почти не применялась для исследования органических молекул (исключение составляют молекулы СН и СГ ). Выполненное в 1956 г. Бэконом и Карри нейтронографическое исследование [c.250]

Любой частице, движущейся с импульсом mv, соответствует длина волны де Бройля Я = himv, поток таких частиц может в определенных условиях дать дифракционную картину. Дифракцию электронов в основном используют для исследования строения молекул в газообразном состоянии, хотя в последние годы его также применяют для изучения внешней и внутренней структуры кристаллов. Нейтроны в отличие от рентгеновских лучей и электронов, взаимодействующих с электронами атомов, с которыми они сталкиваются, рассеиваются атомными ядрами. Метод, основанный на дифракции нейтронов, ценен тем, что позволяет определить положения ядер водорода в молекулах, так как они так же хорошо рассеивают нейтроны, как и более тяжелые атомы. В этом заключается основное преимущество дифракции нейтронов по сравнению с дифракцией рентгеновских лучей в последнем случае расстояние увеличивается с ростом числа электронов в рассеивающем атоме. [c.290]

ГАММА-ЛУЧИ ( -лучв ) — электромагнитное излучение с очень коротким11 длинами волн (от 1 Л и меньше), испускаемое атомными ядрами в результате естественных и искусственных превращений или возникающее вследствие торможения заряженных частиц, аннигиляции пар частиц (напр., электронцо-позитрон-ной пары) и т. д. Г.-л. проявляют себя не только как электромагнитные волны, но также и как поток частиц (т. н. у-квантов), причем волновые свойства (дифракция, интерференция) проявляются лишь у самых длинноволновых Г.-л., корпускулярные же свойства их выражены более отчетливо (фотоэффект, компто-новское рассеяние). Энергия Г.-л. (у-квантов) выражается как hv, где к— постоянная Планка, а V — частота электромагнитной волны. Естественные радиоактивные источники испускают Г.-п. с энергией до нескольких Мэе в ядерных реакциях можио получить Г.-л. с большей энергией. Г.-л. с порядка сотен Мэе и даже ок. 1 Бее получаются при торможении электронов на ускорителях заряженных частиц. [c.402]

С любой частицей, движущейся с импульсом mv, ассоциируется длина волны де Бройля К = h/mv, и луч таких частиц может дать в определенных условиях дифракционную картину. Монохроматические лучи электронов в основном используются для исследования строения молекул в газообразном состоянии хотя в последние годы их также применяют для изучения внешней и внутренней структуры кристаллов. В то время как рентгеновские лучи и электроны взаимодействуют с орбитальными электронами атомов, с которыми они сталкиваются, нейтроны рассеиваются атомными ядрами. Дифракция нейтронов особенно ценна тем, что она является методом определения положения ядер водорода в молекулах. В этом заключается отличительная особенность дифракции нейтронов по сравнению с дифракцией рентгеновских лучей в последнем случае рассеяние постепенно увеличивается с ростом числа орбитальных электронов в рассеивающем атоме. Другим преимуществом дифракции нейтронов по сравнению с дифракцией рентгеновских лучей является то, что дифракция нейгронов позволяет легко различить два химически разных атома, имеющих почти одинаковое число электронов с помощью рентгеновского метода этого сделать нельзя. Например, для шпинели MgAl204 было показано, что атомы магния занимают в кристалле тетраэдрические положения, а атомы алюминия— октаэдрические. [c.187]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология