16551

Расчет теоретических структурных амплитуд

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Лабораторная работа Расчет теоретических структурных амплитуд Цель работы: Научиться определять теоретические значения структурных амплитуд исследуемых объектов для дальнейшего использования при расшифровке структур. В процессе выполнения работы необходимо...

Русский

2013-06-22

236 KB

10 чел.

Лабораторная работа

Расчет теоретических структурных амплитуд

Цель работы: Научиться определять теоретические значения структурных амплитуд исследуемых объектов для дальнейшего использования при расшифровке структур.

 

В процессе выполнения работы необходимо:

- ознакомиться методом «проб и ошибок»

Провести предварительную подготовку:

- приготовить образец для получения рентгенограммы на дифрактометре,

- выбрать условия регистрации рентгенограммы,

- провести регистрацию дифракционного спектра исследуемого образца,

- оформить полученную рентгенограмму, 

- измерить , рассчитать значения  для всех линий,

- проиндицировать рентгенограмму,

-  составить таблицу результатов измерений,

- ответить на контрольные вопросы,

- оформить отчет

Краткая теория. Конечной целью второго этапа структурного анализа является расшифровка структуры исследуемого  вещества, заключающаяся в определении координат всех атомов, входящих в элементарную ячейку. Координаты атомов определяются из распределений электронной плотности , которые строятся на основе экспериментальных рентгенограмм. Для исследования структур кристаллов широко используется метод Фурье, основанный на взаимосвязи величин и .

Структурная амплитуда кристалла , определяющая амплитуду рентгеновского луча, рассеянного на ячейке в определенном направлении, рассчитывается по формуле:

    (1)

или

.                             (2)

Обе эти формулы отражают одинаковый физический смысл, но учитывают различный подход к рассеивающим центрам. Первая формула в качестве единичных рассеивающих центров рассматривает атомы, расположенные дискретно, т.е. в строго определенных точках с координатами . Вторая формула предполагает в качестве единичных рассеивающих центров точки с электронной плотностью , которые образуют континуум, то есть  – непрерывная функция, имеющая трехмерную периодичность с периодом  и во всех точках дифференцируема по координатам .

Величины и  являются трансформантами Фурье, заимосвязанными соотношениями (3,4).

,    (3)

.    (4)

Если известна формула для расчета , то формула для расчета  получается ее Фурье-трансформированием, т.е. надо поменять знак суммы на интеграл (или наоборот).

Используя ряд (4), можно по экспериментальным значениям  рассчитать электронную плотность в любой точке, а максимальное значение электронной плотности соответствует координате атома.

В принципе можно определить не только координаты атома, но и их порядковый номер, так как высота максимума электронной плотности зависит от числа электронов в атоме.

Зная , можно определить  в любой точке с координатами . Для определения положения атома необходимо найти точку , где  имеет максимальное значение. Т.е., для расшифровки структуры необходимо из экспериментальных рентгенограмм получить набор значений  и использовать их для расчета ряда (4).

Итак, для нахождения электронной плотности необходимо использовать формулу (4), которую можно записать в несколько иных формах:

,  (5)

,   (6)

где  – действительная, мнимая части и модуль структурной амплитуды соответственно,  – фаза структурной амплитуды. В случае центрально-симметричных кристаллов необходимость определения фазы структурной амплитуды отпадает, поскольку в этом случае остается только ее действительная часть. Модули структурных амплитуд определяются исходя из зависимости интенсивность рентгеновского отражения    от структурного фактора и фактора  ( – «пээльже-фактор»). Величина  пропорциональна , фактор  для метода рентгеновской дифрактометрии монокристаллов определяется по формуле:

                                                    (7).

Следовательно, модуль структурной амплитуды .

Дальнейший расчет рядов (4) возможен только в том случае, если есть возможность определить знаки или фазы структурных амплитуд всех отражений. При определении структуры неизвестного вещества для этой цели применяется метод «проб и ошибок», суть которого заключается в конструировании предположительная модель исследуемой структуры. Такая задача, например, может стоять перед исследователем в случае изучения структурных изменений в кристаллах, подвергаемых воздействиям различных физических факторов.

Для освоения этого метода рассмотрим процедуру определения значений   на примере вещества с известной структурой. Для упрощения расчетной части выберем цетросимметричный кристалл. В этом случае в формуле (1) экспонента заменяется на косинус (8),  в результате упрощаются все расчеты. В качестве такой структуры  может быть использована структура представителя триоктаэдрических слюд – флогопита, структурная формула которого имеет вид . Можно также выбрать отражения одного типа, например, базальные, которые хорошо фиксируются на рентгенограмма ориентированного препарата. Из экспериментальной рентгенограммы определяются индексы отражений , которые в дальнейшем будут использованы для построения проекций электронной плотности.

Следовательно, необходимо рассчитывать структурные амплитуды кристалла , определяющие амплитуду рентгеновского луча, рассеянного на ячейке в определенном направлении  по формуле:

(8)    

где -долевой коэффициент -го атома (количество атомов данного сорта в данной кристаллографической позиции), - координата -го атома,  – рассеивающая способность атома - это величина, зависящая от вектора , то есть  и ее значение приводится в специальных таблицах. Таким образом, для расчета структурных амплитуд необходимо иметь координаты атомов исследуемого вещества в элементарной ячейке, значения брегговских углов  , соответствующих определяемым  и зависимость  для входящих в структуру атомов.

Работа выполняется в следующем порядке:

По рентгенограмме определяются углы дифракции , брэгговские углы , которые заносятся в таблицу в порядке возрастания .  Затем для каждого отражения определяются значения , где  - длина волны используемого при получении рентгенограммы излучения. Следующий этап –  для каждого входящего в структуру исследуемого вещества элемента из справочных таблиц  выбираются  значения функции  в соответствии с имеющимися величинами . Результаты заносятся в таблицу 1.

Из литературных источников находятся долевые коэффициенты  и координаты атомов. Значения заносятся в таблицу 2*

Таблица 1

N

Рассеивающие способности атомов

K

Si

Al

Mg

O

OH

(F)

1

1

:

:

:

:

14

14

                                                                           Таблица 2

Атом

На этом заканчивается предварительная подготовка к расчетам . Теперь можно приступать к расчетам .  

Заготавливаем таблицу 3.В каждую клеточку этой таблицы  заносится значение произведения долевого коэффициента атома на его рассеивающую способность из таблицы 1 и на значение косинуса . При этом необходимо обращать внимание на то, в какой четверти находится аргумент косинуса и соответствующий знак брать для косинуса. Такой  знак будет иметь значение в каждой ячейке таблицы 3. Когда все ячейки таблицы, кроме последней строки, будут заполнены,  следует выполнить  суммирование по  от 1 до N (по столбцам). Таким образом,  результаты последней строки дадут нам искомые величин  для всех базальных отражений.

Таблица 3

Значения произведений      для текущих индексов отражений

l

1

2

3

4

5

14

:

:

:

:

*Примечание. Координаты атомов в структуре и рассеивающие способности атомов выдаются преподавателем.

Расчет осуществляется для двух вариантов координат атомов с целью установления влияния выбора начала координат на значения структурных амплитуд)

Контрольные вопросы

Что такое структурная амплитуда?

Как значение структурной амплитуды связано с рассеивающими способностями атомов?

Какова связь между структурной амплитудой и электронной плотностью кристаллов?

Записать формулы для расчета структурной амплитуды.

Для чего необходим расчет теоретических  значений структурных амплитуд?

Что такое трансформанты Фурье? 

Как влияет выбор начала координат на значения структурных амплитуд?

Отчет по данной лабораторной работе должен соответствовать требованиям стандарта СТО ИрГТУ.027-2009, содержать

- титульный лист, оформленный  в соответствии с требованиями стандарта СТО ИрГТУ.027-2009,

- цели и задание выполненной работы,

- краткое описание метода «проб и ошибок»,

- описание исследуемого объекта,

- условия регистрации рентгенограммы,

- таблицы экспериментальных результатов (табл.2,3),

- ответы на контрольные вопросы (можно устно),

-  список использованной литературы

Отчет предоставляется в электронном виде.

Критерии оценки лабораторной  работы:

-качество подготовки к лабораторной работе – ответы на контрольные вопросы;

- формулировка целей и задач работы;

  •  полнота теоретического обоснования применяемого метода исследования; четкость структуры работы;
  •  самостоятельность, логичность изложения;
  •  достоверность полученных результатов;
  •  наличие выводов, сделанных самостоятельно.

Оценка осуществляется по 10-балльной системе.

При выполнении всех перечисленных требований –10 баллов

80 % - 8 баллов и т.д…Работа считается зачтенной при оценке не ниже 6 баллов.

Литература:

Практическая рентгеновская дифрактометрия : учеб. пособие / В. А. Лиопо, Г. А. Кузнецова, В. М. Калихман, В. В. Война. – Иркутск : Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2010. – 159 с..ун-та, 2010. – 159 с..

Лекции     


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84139. Категории качества, количества, меры и скачка. Закон взаимного перехода количественных и качественных изменений. Эволюция и революция в развитии 32.98 KB
  Изменение качества объекта означает изменение объекта вплоть до превращения его в другой объект а исчезновение качества объекта означает его уничтожение поскольку качество неотделимо от объекта. Но поскольку внешние количественные свойства объекта берутся не откуданибудь а произрастают именно из специфики его качества то изменение внешних свойств объекта всегда говорит о том или ином соответствующем изменении и в его качестве. Следовательно изменение количественных характеристик свидетельствует об определенном изменении качества...
84140. Категории тождества, различия, противоположности и противоречия. Закон единства и борьбы противоположностей 33.64 KB
  Таким образом противоречия это внутренний источник движения изменения развития объекта поскольку возникающие противоречия для своего разрешения порождают необходимые внутренние предпосылки объекта к соответствующему необходимому изменению. Когда объект меняется он превращается в нечто иное себе снимая обострившиеся противоречия и таким образом совершает некое необходимое развитие. Однако после момента снятия противоречий после их разрешения сразу же возникают новые противоречия поскольку у изменившегося объекта сразу же возникает...
84141. Категории отрицания и отрицания отрицания. Метафизическое и диалектическое понимание отрицания. Закон отрицания отрицания 38.35 KB
  Отрицание в логике это акт опровержения некоего несоответствующего действительности высказывания который разворачивается в новое высказывание. В философии же отрицание это возникновение нового отменяющего и замещающего собой старое. Применяться подобным образом в философии термин отрицание стал Гегелем который с его помощью объяснял циклический характер развития действительности: 1. В чем суть этого противоречия которое созревает в Разуме и отменяет отрицает собою нынешнее состояние Разума Рассмотрим это: суть этого внутренне...
84142. Общая характеристика философских категорий. Метафизическое и диалектическое понимание их взаимосвязи 39.51 KB
  Кроме того категории отражают наиболее важные характеристики и явления бытия которые пронизывают бытие насквозь во всём его многообразии и во всей его необъятности время пространство движение причина следствие единичное общее материя дух взаимодействие сила субстанция и т. К основным категориям относятся: бытиенебытие единичноеобщее причинаследствие случайностьнеобходимость сущностьявление возможностьдействительность материядвижение времяпространство качествоколичество сущностьявление содержаниеформа...
84143. Понятие общества. Основные идеи формационного и цивилизационного понимания общественной жизни и истории 38.69 KB
  Народ это всё население как таковое вовлеченное в совместную жизнь в системе какоголибо общества. Особая специфика и особая сложность общества состоит в том что его главным смысловым элементом является человек в результате чего общество в отличие от природных систем взаимодействия обладает высокой степенью непредсказуемости своего развития. Благодаря этому общественное развитие это процесс настолько сложный что его исследовательский анализ и теоретическое описание вызывают огромные трудности и сопровождаются безостановочными...
84144. Трудовая деятельность людей как основной фактор антропосоциогенеза. Общественное бытие и общественное сознание, характер их соотнесенности 32.32 KB
  Общественное бытие и общественное сознание характер их соотнесенности. Решающим для превращения человека в разумное и общественное животное стало пользование огнем и приручение животных. Таким образом благодаря труду бытие отдельного человека включено в общественное бытие. Общественное бытие это совокупность всевозможных форм совместной деятельности людей подчиненной общественной необходимости.
84145. Материальное производство и его структура: производительные силы и производственные отношения. Характер их соотнесенности 34.15 KB
  Теория материального производства разработана марксизмом. Главной особенностью материального производства которая служит его показательным отличием от любого другого вида производства различные виды производства духовных продуктов и нематериальных благ является наличие в процессах материального производства обязательного взаимодействия человека с природой. Таким образом в процессе материального производства человек воздействует на природу с помощью какихлибо средств труда. Сырье природный материал который в процессе производства...
84146. Структура производительных сил и производственных отношений. Базис и надстройка. Роль производительных сил и техники в развитии общества 31.33 KB
  Производственные отношения. Поскольку материальное производство непредставимо без участия человека то существенным фактором процесса производства выступают связи и отношения между людьми складывающиеся в производственной деятельности. Эти связи и отношения называются производственными отношениями. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ОТНОШЕНИЯ.
84147. Социальная структура общества и этнические общности. Исторические формы социальных и сословно-классовых общностей 36.93 KB
  Социальная структура с одной стороны указывает на различное положение людей по отношению друг к другу по тем или иным критериям имущественный критерий политические права привилегии возрастные образовательные и другие критерии а с другой стороны выражает деление людей в обществе по их интересам национальные классовые профессиональные религиозные семейные и т. ЭТНОС это исторически сложившаяся на определенной территории устойчивая совокупность людей обладающих одним языком общими народным искусством обычаями обрядами...