ebook Podstawy dyfrakcji promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów Eugeniusz Łągiewka

Wydawca: Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego

Rok wydania: 2015

Podręcznik zawiera matematyczny opis związków między uporządkowaniem struktury atomowej materiałów a ich obrazami dyfrakcyjnymi uzyskanymi przy pomocy wiązki promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów. W podręczniku zamiarem autora było pokazanie jak w oparciu o podstawowe prawa fizyczne zjawisk rozpraszania i dyfrakcji promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów na różnych układach atomów budujących materiał, można dokonać opisu powstawania obrazu dyfrakcyjnego i wyjaśnić związki między jego charakterem a wybranymi parametrami struktury materiału. Zagadnienie to jest obecnie szczególnie istotne, gdy większość obliczeń parametrów struktury materiału prowadzona jest przy pomocy komercyjnych programów komputerowych, które niemal w sposób automatyczny pozwalają na otrzymanie ostatecznych wyników. Nie uwzględnienie w ich interpretacji możliwości i ograniczeń metodycznych oraz aparaturowych, prowadzi często do błędnych danych o strukturze materiału. Jest to szczególnie typowe dla prac młodszych, mniej doświadczonych pracowników laboratoriów, studentów i doktorantów.

Podręcznik składa się w zasadzie z trzech części poświęconych kolejno rozpraszaniu i dyfrakcji promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów na pojedynczym atomie, układzie atomów o różnej konfiguracji w materiale amorficznym, monokrystalicznym i polikrystalicznym i różnym stopniu uporządkowania. Każda część zawiera geometryczny i analityczny opis obrazu rozpraszania i dyfrakcji w zależności od wybranych parametrów struktury materiału i niektórych jego defektów. Omówiono kinematyczną i dynamiczną teorie rozpraszania, zakresy ich stosowalności oraz zjawiska ekstynkcyjne. Przy omawianiu rozpraszania i dyfrakcji wiązki elektronów uwzględniono efekty zachodzące przy różnej ich energii /elektrony wysoko- i niskoenergetyczne, sprężyście i niesprężyście rozproszone/ oraz ich efekty fizyczne przy przechodzeniu przez materiał lub odbiciu z uwzględnieniem geometrii wiązki. W podręczniku podano podstawy budowy i zasady działania oraz powstawania obrazów w klasycznej mikroskopii elektronowej i wysokorozdzielczej, w wiązce równoległej i zbieżnej, w wiązce transmisyjnej i odbiciowej, a także wykorzystaniu elektronów wstecznie rozproszonych w badaniach powierzchni /LEED, EBSD/. Trzecia część podręcznika poświęcona rozpraszaniu i dyfrakcji neutronów podaje najistotniejsze osobliwości tego zjawiska dla neutronów w porównaniu do promieni rentgenowskich i elektronów. Stanowi ona uzupełnienie dyfrakcyjnych metod badań struktury materiałów. Autor ma nadzieję, że powyższy podręcznik będzie przydatny dla studentów i doktorantów kierunków – inżynierii materiałowej, fizyki ciała stałego, metalurgii, chemii i kierunków pokrewnych, gdzie problemy badań materiałowych są przedmiotem na różnych stopniach kształcenia. Powyższy podręcznik może też być przydatny dla pracowników instytutów badawczych i kadry inżynierskiej ośrodków przemysłowych, którzy w swojej pracy zawodowej spotykają się z problemami podnoszenia jakości wytwarzanych materiałów i produktów.

Spis treści ebooka Podstawy dyfrakcji promieni rentgenowskich, elektronów i neutronów

Spis treści

Wykaz ważniejszych oznaczeń / 9

1. Wstęp / 13

2. Rozpraszanie promieni rentgenowskich na pojedynczym elektronie / 15

3. Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego na atomach / 21

4. Wpływ długości fali (częstotliwości) na wartość atomowego czynnika rozpraszania — anomalna dyspersja / 29

5. Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego na zbiorach atomów budujących materiał / 34
5.1. Natężenie promieniowania rozproszonego od materiału składającego się z małych cząstek / 35
5.2. Natężenie promieniowania rozproszonego od materiału o idealnie chaotycznej konfiguracji atomów — idealny materiał amorficzny / 36
5.3. Rozpraszanie promieni rentgenowskich przez materiały składające się ze skupisk atomów o objętościach υ / 37
5.3.1. Analiza członu 2. wzoru (5.8) / 39
5.3.2. Analiza członu 3. równania (5.8) / 41
5.4. Rozpraszanie promieni rentgenowskich na materiałach o periodycznej budowie atomowej — materiały krystaliczne / 46
5.4.1. Geometria dyfrakcji promieni rentgenowskich na sieci krystalicznej / 47
5.4.1.1. Równania Lauego / 47
5.4.1.2. Równanie Braggów / 48
5.4.1.3. Równanie Ewalda / 50
5.4.2. Natężenie refleksu dyfrakcyjnego od materiałów krystalicznych / 53
5.4.2.1. Natężenie rozpraszania na komórce elementarnej sieci krystalicznej — czynnik struktury F / 54
5.4.2.2. Rozpraszanie i dyfrakcja na sieci krystalicznej / 55
5.4.3. Integralne (całkowe) pojęcie natężenia refleksu dyfrakcyjnego / 62

6. Czynnik absorpcji w natężeniu refleksu dyfrakcyjnego / 65

7. Czynnik temperaturowy w natężeniu wiązki dyfrakcyjnej / 69

8. Czynnik krotności płaszczyzn krystalicznych w natężeniu refleksu dyfrakcyjnego / 72

9. Natężenie refleksów dyfrakcyjnych od materiałów krystalicznych wykazujących uprzywilejowaną orientację krystalograficzną (teksturę) / 75

10. Natężenie rentgenowskiego promieniowania dyfrakcyjnego od materiałów krystalicznych typu roztworów stałych / 77
10.1. Natężenie promieniowania rozproszonego w przypadku tworzenia się uporządkowania bliskiego zasięgu / 79
10.2. Natężenie promieniowania w przypadku rozpadu przesyconego nieuporządkowanego roztworu stałego / 84
10.3. Obraz dyfrakcyjny w przypadku występowania uporządkowania dalekiego zasięgu / 85

11. Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego na „supersieciach” / 92

12. Obrazy dyfrakcyjne od materiałów wykazujących błędy ułożenia / 96

13. Podstawy dynamicznej teorii rozpraszania promieni rentgenowskich / 100
13.1. Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego na jednej płaszczyźnie sieci krystalicznej / 101
13.2. Natężenie refleksu dyfrakcyjnego w dynamicznej teorii Darwina / 105
13.3. Zjawisko ekstynkcji, poprawki ekstynkcyjne / 110

14. Rozpraszanie wiązki elektronowej na atomie / 114

15. Geometria i natężenie wiązek dyfrakcyjnych elektronów rozproszonych na sieci krystalicznej / 122

16. Natężenie obrazów dyfrakcyjnych elektronów od materiałów krystalicznych — przybliżenie kinematyczne / 133
16.1. Rozpraszanie wiązki elektronowej na komórce elementarnej sieci krystalicznej / 133
16.2. Rozpraszanie wiązki elektronowej na układzie komórek tworzących kryształ (krystalit) — przybliżenie kinematyczne / 134

17. Wpływ niedoskonałości struktury krystalicznej na natężenie refleksów dyfrakcyjnych / 140
17.1. Kontrast na dyslokacjach / 141
17.2. Kontrast na błędach ułożenia i bliźniakach / 142
17.3. Kontrast Moire’a / 145
17.4. Kontrast dyfrakcyjny na wydzieleniach / 147
17.5. Kontrast dyfrakcyjny na nierównościach grubości próbki / 149

18. Dynamiczna teoria dyfrakcji elektronów / 151

19. Podstawy wysokorozdzielczej mikroskopii elektronowej / 158

20. Dyfrakcja powolnych elektronów (LEED) / 166

21. Dyfrakcja elektronów rozproszonych niesprężyście (niekoherentnie) / 174

22. Dyfrakcja neutronów / 182

Literatura / 191
Aneksy / 195