Badania rentgenograficzne kryształów

Badania rentgenograficzne kryształów.

Najpewniejszym i najdokładniejszym sposobem rozpoznawania i określania minerałów, szczególnie ich wewnętrznej budowy, jest stosowanie metod rentgenograficznych, tj. polegających na przepuszczaniu przez badany kryształ promieni rentgenowskich. Promienie te odkrył w 1895 r. W. Roentgen, który nadał im nazwę promieni X. W niektórych krajach, zwłaszcza anglosaskich, nazwę tę stosuje się do dzisiaj, w innych używa się nazwy promienie Roentgena lub rentgenowskie. Niewidzialne promieniowanie rentgenowskie, podobnie jak promieniowanie optyczne, czyli światło, jest promieniowaniem elektromagnetycznym. Od światła widzialnego różni się mniejszą o 1000 razy długością fal, a więc i większą przenikliwością, gdyż może przechodzić przez grube warstwy ciał nieprzezroczystych dla światła. Przy przechodzeniu przez materię promienie rentgenowskie ulegają pochłanianiu i rozpraszaniu oraz wywołują różnego rodzaju zjawiska, np. zaciemnienie błony fotograficznej, co wykorzystywane jest do rejestracji wyników badań za pomocą tych promieni.

Do wytwarzania promieni Roentgena służą stale ulepszana i coraz doskonalsze pod względem technicznym aparaty. Ich zasadniczymi składowymi częściami są lampa rentgenowska i generator wysokiego napięcia. Promienie Roentgena powstają pod wpływem bombardowania anody lampy rentgenowskiej elektronami wysyłanymi przez katodę. Katodą jest rozżarzona spirala stanowiąca źródło elektronów. Anoda zbudowana jest z takich metali, jak wolfram, miedź, kobalt, żelazo lub chrom. Pod wpływem bombardowania pociskami elektronowymi o dużej prędkości nadanej im wskutek wysokiego napięcia, anoda staje się sama źródłem nowego promieniowania — promieniowania rentgenowskiego.

W 1912 r. fizyk niemiecki M. Laue stwierdził, że skoro kryształy mają budowę sieciową, a promienie rentgenowskie są falami elektromagnetycznymi o długości podobnej do odległości między atomami w sieci przestrzennej kryształu, to przenikając przez kryształ fale te powinny ulec ugięciu na atomach jego sieci. Słuszność tego poglądu została udowodniona doświadczalnie przez Lauego i jego uczniów. Przepuścili oni wiązkę promieni Roentgena przez kryształ i na umieszczonej poza nim kliszy fotograficznej otrzymali obraz, zwany rentgenogramem, świadczący o ugięciu wiązki promieni. Doświadczenie to potwierdziło sieciową budowę kryształu oraz elektromagnetyczną naturę promieni Roentgena. Prześwietlanie minerałów promieniami rentgenowskimi umożliwiło bezpośrednie badanie ich budowy wewnętrznej.

Rentgenogramy kryształów uzyskane metodą Lauego: a — diamentu, b — rubinu, c — chryzoberylu, d — kwarcu, e — berylu
Rentgenogram kwarcu (kryształu górskiego) otrzymany metodą obracanego kryształu. Rentgenogramy otrzymane metodą proszkową.

Środek rentgenogramu zajmuje plama pochodząca od promieni nieugiętych. Naokoło niej grupują się mniejsze punkty, będące śladami promieni ugiętych na atomach tworzących sieć przestrzenną. Układ tych punktów ma ścisły związek z symetrią prześwietlanego kryształu. Zjawisko to występuje najwyraźniej, gdy promienie Roentgena przepuszcza się w kierunku osi symetrii krystalograficznej — na podstawie układu punktów można wtedy rozpoznać jej krotność.

Badania minerałów za pomocą promieni Roentgena mogą być wykonywane różnymi metodami. W zależności od stosowanej metody uzyskuje się różne rentgenogramy. Do najważniejszych należą metody: Lauego, obracanego kryształu oraz proszkowa.

W metodzie Lanego nieruchomo umieszczony pojedynczy kryształ (monokryształ) prześwietla się wiązką promieni Roentgena. W sieci przestrzennej kryształu promienie pierwotnej wiązki ulegają ugięciom w pewnych kierunkach. Wiązki promieni ugiętych rejestruje się na filmie rentgenowskim, ustawionym prostopadle do kierunku wiązki pierwotnej. Otrzymany rentgenogram informuje o symetrii kryształu w kierunku, w którym kryształ był prześwietlony wiązką pierwotną.

W metodzie obracanego kryształu badany kryształ jest obracany wokół osi prostopadłej do wiązki promieni rentgenowskich. Na otrzymanym rentgenogramie zaczernienia emulsji wywołane przez wiązki promieni ugiętych ułożone są wzdłuż warstwie. Wykonując trzy rentgenogramy w trzech kierunkach krystalograficznych można na podstawie odstępu między warstwicami określić stałe sieciowe a, b, c.

Metoda proszkowa polega na prześwietlaniu bardzo drobnych, bezładnie ułożonych ziarn sproszkowanego minerału. Rentgenogram proszkowy daje przegląd wiązek ugiętych przez krystaliczni sieć przestrzenną kolejno pod coraz większymi kątami. Metoda proszkowa umożliwia wiele różnych badań minerałów, m.in. ich identyfikację i wyznaczanie stałych sieciowych.

Od czasu odkrycia możliwości zastosowania promieni rentgenowskich do badania budowy wewnętrznej nastąpił ogromny rozwój krystalografii. Badania rentgenograficzne pozwoliły powiązać wewnętrzną budowę kryształów z ich własnościami fizycznymi i składem chemicznym. Potwierdziły one również dawniejsze teorie o sieci przestrzennej i rodzajach symetrii przestrzennej rozmieszczenia atomów. Umożliwiło to ustalenie w wielu grupach minerałów ścisłego, prawidłowego rozmieszczenia jonów (kationów i anionów) utrzymywanych siłami elektrostatycznymi mającymi związek z wartościowością chemiczną. Dzięki tym badaniom można było ustalić ściślejsze wzory chemiczne wielu skomplikowanych związków, co z kolei umożliwiło przeprowadzenie racjonalnej klasyfikacji minerałów. Odnosi się to szczególnie do krzemianów, stanowiących najliczniejszą grupę minerałów.

Potwierdzenie metodami rentgenograficznymi teorii sieciowe; budowy kryształów stało się podstawą współczesnej rentgenograficznej analizy ich struktury. Osiągnięcia w tej dziedzinie stały się podstawą nowej gałęzi nauki — krystalochemii — zajmujące; się zależnością między strukturą minerałów i ich składem chemicznym.

Zastosowanie metod rentgenograficznych pozwala na identyfikację kamieni szlachetnych, gdy zawodzą inne metody, a analizą chemiczną nie można się posłużyć ze zrozumiałych względów. Metody te stosuje się szczególnie przy odróżnianiu kamieni naturalnych od syntetycznych, które są coraz doskonalsze i stają się poważnym konkurentem kamieni naturalnych. Metodami rentgenograficznymi można łatwo odróżnić diament od różnych naśladownictw, których liczba ostatnio wzrasta (kamienie syntetyczne).

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *