EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
2480
filereader.php?p1=main_8da843ff65205a613

موضوع: تجهیزات فناوری نانو

فصل: روش‌های مبتنی بر اشعه ایکس


بخش‌ اول: پرتو ایکس، تاریخچه ویژگی‌ها
بخش دوم: برهمکنش پرتو ایکس وذرات، مبانی روش پراش
بخش سوم: تحلیل کمی و کیفی داده‌های XRD 

بخش‌ اول: پرتو ایکس، تاریخچه و ویژگیها


نویسندگان: علی انصاری، فرزاد حسینی نسب


مقدمه:

با توجه به اهمیت و کاربرد پرتوی ایکس در روش‌های تعیین مشخصات بلوری مواد که مبتنی بر استفاده از پرتوی ایکس هستند، بخش اول این بخش به معرفی این پرتو، ویزگی‌ها و روش‌های تولید آن اختصاص دارد.


1- معرفی پرتوی ایکس:

پرتوی ایکس (پرتوی رونتگن) بخشی از طیف امواج الکترومغناطیسی است که طول موج تقریبی آن از 0/01 تا 10 آنگستروم است و بین امواج فرابنفش و گاما قرار می‌گیرد. این پرتو به دلیل انرژی بالایی که دارد در عکسبرداری از اعضا‌ی داخلی بدن (رادیوگرافی)، عکس‌برداری از اجسام جامد (در مصارف صنعتی برای بررسی وجود ترک در لوله‌ها) و ... کاربرد دارد. همچنین استفاده از پرتوی ایکس در بلورشناسی حائز اهمیت فراوان است. این امر به دلیل خواص موجی پرتوی ایکس (خواصی مانند پراش و تداخل امواج) امکان‌پذیر است.


filereader.php?p1=main_6dbf9ac2da09ee1d3

شکل 1: طیف امواج الکترومغناطیسی



filereader.php?p1=main_8e683187a00e5d462

شکل 2: تصویر رادیوگرافی دست انسان با


2- کشف پرتوی ایکس

پرتوی ایکس توسط فیزیکدان آلمانی به نام ویلهلم رونتگن در سال 1895 میلادی کشف شد. او به صورت اتفاقی متوجه شد که وقتی مواد فلورسنت در نزدیکی یک لوله‌ی پرتوی کاتد‌ی (CRT) قرار می‌گیرند، نور ضعیفی از خود ساطع می‌کنند. رونتگن نخستین کسی بود که متوجه شد با یک پرتو‌ی جدید مواجه شده است و چون این پرتو ناشناخته بود، نام آن را پرتوی x گذاشت. رونتگن بابت این کشف بزرگ خود در سال 1901، جایزه‌ی نوبل فیزیک را کسب کرد. در آن زمان برخی دانشمندان معتقد بودند که پرتوی x از جنس امواج الکترومغناطیس است که در نهایت، فون لاوه توانست در سال 1912 ماهیت الکترومغناطیسی این پرتو را اثبات کند.


فلورسنت:

مواد دارای خواص فلورسانس را فلورسنت گویند. فلورسانس از جمله خواص فیزیکی برخی مواد شیمیایی است .مواد فلورسانت نور با طول موج مشخصی را جذب می‌کنند و نوری با طول موج بلندتر از خود منتشر می‌سازند. خاصیت فلورسانس با قطع شدن منبع نور قطع می‌شود.


مدتی بعد از کشف رونتگن، لوله‌ی اولیه مولد پرتوی x طراحی و استفاده شد. همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است، این لوله شامل یک حباب شیشه‌ای بسته است که در آن یک قطب کاتد سرد و یک قطب آند (آنتی کاتد) وجود دارد و ولتاژ بسیار زیادی در حدود 50-30 کیلوولت بین کاتد و آند برقرار می‌شد. وجود ولتاژ بالا برای ایجاد میدان الکتریکی قوی لازم است. در نتیجه‌ی میدان الکتریکی حاصل، مولکول‌های گاز موجود در لوله با از دست دادن الکترون و برخورد این الکترون‌ها به الکترون‌ها و اتم‌های دیگر یونیزه شده و برخورد آنها به کاتد موجب ساطع شدن پرتوی کاتدی (الکترون) از آن می‌شود. به دلیل شکل خمیده ی کاتد، پرتوی کاتدی روی آند متمرکز شده و موجب گسیل پرتوی پرانرژی x از آند می‌شود. گسیل پرتوی x به این دلیل است که الکترون‌ها (پرتوی کاتدی) از طریق انتقال انرژی به الکترون‌های اتم‌های آند سبب کنده شدن بعضی از الکترون‌ها از تراز انرژی خود و جداشدن آنها از اتم می‌شود. اکنون یک الکترون دیگر از ترازهای بالاتر می‌تواند جای خالی الکترون کنده شده را پر کند که تفاوت سطح انرژی این دو الکترون سبب گسیل پرتوی x می‌شود.


لوله‌های پرتوی ایکس که حاوی گاز هستند مشکلاتی دارند، مثلا باعث ویژگی‌های متفاوت و ناپایداری در پرتوی ایکس تولید شده می‌شوند. زیرا الکترون‌های برخوردی به آند در هنگام تولید انرژی‌های متفاوتی دارند. همچنین در مسیر حرکت خود از طریق برخورد به مولکول‌های گاز درون لوله مقادیر متفاوتی از انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهند و بنابراین در لحظه‌ی برخورد به آند، سطوح انرژی متفاوتی دارندکه سبب گسیل پرتوهای x با طیفی از انرژی و فرکانس می‌شود. امروزه برای حل این مشکل از لوله‌های با خلا بالا استفاده می‌شود که اولین بار در سال 1913 توسط کولیج طراحی شد. وی فشار گاز درون محفظه را تا 6-10 میلی بار کاهش داد و به جای کاتد سرد از یک فیلامان تنگستنی گرم استفاده کرد. فیلامان با برقراری جریان الکتریسیته داغ شده و پرتوی کاتدی گسیل می‌کند (گسیل ترمویونی). همان طور که در شکل 4 مشاهده می‌شود در اطراف فیلامان تنگستنی، قطعه‌ی فلزی شکاف‌دار وهنلت (Wehnelt Cap) وجود دارد که باعث تمرکز پرتوی الکترونی روی آند می‌شود و همین امر نیز به گسیل پرتوی x پایدارتر کمک می‌کند. در لوله‌ی کولیج نیز همانند لوله‌های اولیه‌ی مولد پرتوی ایکس، برخورد پرتوی الکترونی(کاتدی) به آند موجب گسیل پرتوی پرانرژی ایکس از آند می‌شود. لازم به ذکر است در هر دو نوع لوله‌ی پرتوی ایکس، مقدار زیادی از انرژی جنبشی الکترون‌های برخوردی به آند به حرارت در آن تبدیل شده و بقیه‌ی آن موجب تولید پرتوی ایکس می‌شود.


ویژگی‌های پرتوی ایکس

قدرت نفوذ پرتوهای ایکس به دلیل انرژی بالا، فوق‌العاده زیاد است و از اغلب مواد عبور می‌کنند. اگر دست خود را در مسیر پرتوهای ایکس قرار دهیم، فقط سایه‌ی استخوان‌های دست روی صفحه مشاهده می‌شود. علت این امر آن است که پرتوهای ایکس بدون جذب شدن از عضلات و بافت نرم بدن عبور می‌کنند ولی از استخوان عبور نمی‌کنند و جذب می‌شوند. به طور کلی عناصری که جرم اتمی زیادی دارند پرتو‌های ایکس را بیشتر جذب می‌کنند. پرتوهای ایکس روی بافت‌های زنده اثر کرده و موجب تخریب آنها می‌شوند. بنابراین لوله‌های پرتوی ایکس را در محفظه‌های سربی قرار می‌دهند، زیرا همان طور که گفته شد، سرب به دلیل جرم اتمی زیاد توانایی جذب پرتوی ایکس را دارد. پرتوهای ایکس در بسیاری از اجسام، فلورسانس تولید می‌کنند. مثلا تابش پرتوی ایکس بر روی باریم هگزا سیانوپلاتینات، نور سبز رنگ تولید می‌کند.
از دیگر ویژگی‌های پرتوهای ایکس محدوده‌ی طول موج آنهاست. همانطور که قبلا اشاره شد، طول موج تقریبی پرتوی ایکس در حد 0.01 تا 10 آنگستروم است که این مقدار مشابه فاصله‌ی بین اتم‌ها در بلور مواد است و همین امر امکان پراش و بررسی ساختار بلوری مواد را با استفاده از پرتوی ایکس فراهم کرده است.


فرآیندهای تولید پرتوی ایکس

پرتوی ایکس به دو صورت تولید می‌شود: 1- پرتوتابی ترمزی 2- پرتوتابی مشخصه
در فرآیند پرتوتابی ترمزی، الکترون‌های پرانرژی به هسته‌ی اتم‌های آند فلزی برخورد می‌کنند، اما به دلیل میدان‌های قوی الکتریکی ناشی از اجزای هسته، در زمان بسیار کوتاهی، سرعت خود را از دست می‌دهند. این تغییر سرعت و یا جهت حرکت الکترون‌ها موجب آزاد شدن انرژی جنبشی به صورت فوتون‌های پرتوی ایکس می‌شود.
هرچه سرعت و انرژی جنبشی الکترون‌ها بیش‌تر و فاصله‌ی بین الکترون و هسته کمتر باشد انرژی فوتون تولیدی بیشتر خواهد بود. همچنین با افزایش بار هسته و قوی‌تر شدن میدان الکتریکی هسته، انرژی فوتون بیشتر می‌شود. در اینجا طبق قانون پایستگی انرژی داریم:

(1)                  k=1/2 mv


filereader.php?p1=main_f4fe292eb01627a02

شکل 5: تصویر شماتیک پرتوتابی ترمزی


فرآیند پرتوتابی مشخصه زمانی اتفاق می‌افتد که الکترون‌های پرانرژی به اتم فلز آند برخورد کرده و موجب فرار یک الکترون از تراز انرژی پایین می‌شود (یونش درونی). زمانی که یک الکترون از ترازهای بالایی، جای خالی الکترون قبلی را پر می‌کند، اختلاف انرژی این دو تراز به صورت یک فوتون پرتوی ایکس آزاد می‌شود.



filereader.php?p1=main_9d1c815ede9bca71c

شکل 6: تصویر شماتیک پرتوتابی مشخصه


در صورتی که نمودار شدت پرتوی ایکس تولید شده را برحسب طول موج رسم کنیم، یک منحنی هموار با تعدادی پیک به دست می‌آید. بخش هموار (continuous spectrum) مربوط به پرتوتابی ترمزی و پیک‌ها مربوط به پرتوتابی مشخصه است.



filereader.php?p1=main_2436f23b98933a714

منحنی 1: شدت پرتو¬ی ایکس بر حسب طول موج


وقتی الکترون از لایه‌ی بالایی به لایه‌ی پایینی منتقل می‌شود، انتقال با نام لایه‌ی پایینی خوانده می‌شود. وقتی از اندیس α در کنار نام انتقال الکترونی استفاده می‌شود، یعنی الکترون یک تراز به پایین سقوط کرده و زمانی که از اندیس β استفاده شود، یعنی الکترون دو تراز به پایین سقوط کرده است.


جدول1: نام‌گذاری برخی از تراز-های انرژی اتمی
عدد کوانتومی
   1

      2

      3


      4
نام
  K

      L

      M


      N


filereader.php?p1=main_f2eebf3df8eb7d5db

شکل 7: تراز های انرژی اتمی و انتقالات الکترونی


همانطور که گفته شد، پرتوی ایکس از بسته‌های انرژی به نام فوتون تشکیل می‌شود. هر فوتون با توجه به فرکانسی که دارد، مقدار انرژی مشخصی دارد که این انرژی برابر hf است. h  ثابت پلانک (برابر با js 34-10×6262/6( و f برابر فرکانس موج است.



filereader.php?p1=main_d0c2225b640deec86

شکل 8: پرتوهای مشخصه و طیف پیوسته مولیبدن در ولتاژ 35 کیلوولت


مطابق شکل 8، k_α که مربوط به انتقال انرژی کمتر است در طول موج‌های بلندتر پدید می‌آید در حالی که k_β که مربوط به انتقال انرژی بیشتر است در طول موج‌های کوتاه‌تر پدید می‌آید. چون احتمال انتقال الکترون از مدار M به K کمتر از انتقال از L به K است، k_β شدت کمتری نسبت به k_α دارد. با توجه به نکات بالا، اکنون می‌دانیم که استفاده از فلزات مختلف به عنوان آند فلزی با توجه به انتقالات الکترونی مختلف سبب تولید پرتوهای ایکس با طول موج مشخصه‌ی متفاوت می‌شود. در دستگاه تولید پرتوی ایکس بیشتر از مس و گاهی از مولیبدن، کبالت، کروم و ... به عنوان آند استفاده می‌شود. در جدول زیر k_α و حدود ولتاژ لازم برای تولید پرتوی ایکس توسط فلزات مختلف نشان داده شده است.

جدول 2: مشخصات فلزات مورد استفاده به عنوان آند در تولید پرتوی ایکس


filereader.php?p1=main_2040a28d572e0889b

پرتوهای ایکس بر اساس انرژی فوتون‌ها به دو نوع تقسیم می‌شوند:
• تکفام(تک رنگ): پرتو فقط دارای یک طول موج خاص است و انرژی فوتون‌های آن یکسان است.
• پیوسته(سفید): دارای طول موج‌های مختلفی است و انرژی فوتون‌های آن متفاوت است.





filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


  • محمد صدیقی و رضا ناظم نژاد، "تحلیل اثر روش تعیین موقعیت قله منحنی پراش در اندازه¬گیری تنش پسماند به روش استاندارد پراش اشعه ایکس"، مجله مکانیک هوافضا (ساخت و تولید)، جلد 7، شماره 2، 1390
- http://edu.nano.ir/index.php?actn=papers_view&id=123
- B.D. Cullity, "Elements of X-Ray Diffraction", Addison-Wesley Publishing Company, 2013
- Carl A Carlsson and Gudrun Alm Carlsson, "Basic physics of X-ray imaging", Department of Medicine and Care Radio Physics Faculty of Health Sciences, LIU-RAD-R-008(1996)
- Bruker AXS, "Introduction to Powder X-Ray Diffraction", 2001