X-IŞINLARI KIRINIM CİHAZI (XRD) ve KIRINIM YASASI SİNEM ÖZMEN HAKTAN TİMOÇİN 2012
İÇERİK X-IŞINI KIRINIM CİHAZI (XRD) X-RAY DİFFRACTİON XRD CİHAZI NEDİR? XRD CİHAZININ OPTİK MEKANİZMASI XRD CİHAZINDA ÖRNEK HAZIRLANMASI VE ÖLÇÜMÜ XRD CİHAZININ RESİMLERİ VE ÖRNEK VERİ SONUÇLARI UYGULAMA ALANLARI X-IŞINLARI VE BRAGG DENKLEMİ X-IŞINI VE ÖZELLİKLERİ X-IŞINI KIRINIMI BRAGG DENKLEMİ
XRD CİHAZI NEDİR? X-Işını Kırınım yöntemi (XRD), her bir kristalin fazın kendine özgü atomik dizilimlerine bağlı olarak, X-ışınlarını karakteristik bir düzen içerisinde kırması esasına dayanır. Her bir kristalin faz için bu kırınım profilleri bir nevi parmak izi gibi o kristali tanımlar. X-Işını Kırınım analiz metodu, analiz sırasında numuneyi tahrip etmez ve çok az miktardaki numunelerin dahi analizlerinin yapılmasını sağlar. İlk kez Max Van Laue tarafından kristal yapı ve yapı içerisindeki atomların dizilişleri X-ışını kırınım desenleri kullanılarak incelenmiştir
Çalışma prensibi olarak örneğe X-Işını göndererek kırılma ve dağılma verileri toplaması söylenebilir. Benzetme yapmak gerekirse üniversite hazırlık sınavlarındaki klasikleşmiş fizik sorularından kırılma indisi-açı soruları uygun olacaktır. Kristal yapısına göre ışını farklı açılarda ve şiddette kıran örnekler çok hassas biçimde analizlenebilmektedir. Resimde ışını üreten sol üst başlık ile dedektör (sağ üst) birbirine V şeklinde bir açıyla bağlanmıştır. bu açı değişebilmekte olup orta hazne örnek yüklemesi için kullanılmaktadır. Fourier Transform devriminden sonra XRD makineleri de bayağı profesyonellişmiş önceleri her açıyı ayrı ayrı analizleyip toplu değer sunan makineler şimdi geniş açıları çok dar zamanda ve uygun çıktı ile verebilmektedir. XRD'yi çok kullanışlı yapan şey kristal yapılarında parmakizi hassaslığında veri toplayabilmesi ve güvenilir olmasında yatmaktadır.
X-ışınlarının kristallerden difraksiyonu X-Işınları kristalin üzerine geldiğinde elektronlar tarafından soğurulur ve elektronlar salınım yapmaya başlar Salınan bu elektronlar bir x-ışını kaynağı gibi davranarak her yöne x-ışınları fotonları yayar.kristalin farklı bölümlerinden saçılan bu fotonlar,toplanarak ölçülebilir bir x ışını şiddeti oluştururlar. Kristalde paralel düzlem takımları olduğunu varsayan Bragg koşulunun sağlandığı bu durumda, saçılan x-ışınları yapıcı girişim yaparak birbirlerini güçlendirmiş olacaktır.
XRD CİHAZININ OPTİK MEKANİZMASI a) b) c) d) e) f) g) h) i) X-ışın tüpü Otomatik kapatıcı Çapraz ışın optik sistemi Sollar slit Numune tutucu Sollar slit Güç azaltıcı Dedektör Düzlem-içi ünite
ÖRNEK HAZIRLANMASI VE ÖLÇÜMÜ Fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre örnek hazırlandıktan sonra analiz şartları belirlenir. En basit olarak, kayaç ve mineral numuneleri çelik havanda kırıldıktan sonra agat havanda iyice öğütülüp toz haline getirilir. Toz haline getirilen numuneler analiz edilmek üzere plastik kaplarda saklanır. Analiz edilecek örnekler cam lamlara konularak XRD cihazının örnek tutucularına yerleştirilir ve analiz edilir.
Element aralığı Düşük atom numarasına sahip elementlerin dedeksiyonu zor olabilir. Bozunum Çoğu malzeme için hayır. Çözünürlük Tipik olarak birkaç μm fakat malzemeye bağlıdır. Sinkrotron radyasyonu ile tek tabakaya duyarlıdır. Derinlik profili Genellikle hayır. Miktar belirleme Zorlukla, genellikle kalitatif. Numune gereksinimleri Toz veya bulk numune incelenelir.
X-RAY DIFFRACTION (XRD)
ÖRNEK NUMUNE XRD VERİ SONUÇLARI
Uygulama alanları Jeolojide minerallerin ve kayaçların tanımlanmasında Metal ve alaşım analizlerinde Seramik ve çimento sanayiinde İnce film kompozisyonu tayininde Polimerlerin analizinde İlaç endüstrisinde belli bir malzeme içindeki polimorfların ve safsızlıkların tespitinde Arkeolojide, tarihi yapıları oluşturan malzemelerin tayininde
X-IŞINLARI VE BRAGG DENKLEMİ
TARİHSEL SÜREÇ 1895 : X-Işınlarının Wilhelm Röntgen tarafından keşfi. ( 1901 Nobel Fizik Ödülü ) X-Işını radyografisi 1912 : X-Işınlarının parçacık ve dalga olmak üzere çift karakterinin ve kristalden X-Işın kırınımının Max Von Laue tarafından bulunması. ( 1914 Nobel Fizik Ödülü ) X-Işını kristalografisi 1913 : KCl ve NaCl nin X-Işınları ile Bragg tarafından incelenmesi ve Bragg yasasının ortaya çıkışı. ( 1915 Nobel Fizik Ödülü ) X-Işını spektroskopisi
X-Işınları ve Bragg Kırınımı Kısa Dalgaboylu Elektromagnetik Işımadır Dalgaboyu ultraviyoleden küçüktür Dalgaboyu tipik olarak 0.1-0.001 nm yani 100-1 pm civarındadır X-ışınları çoğu cismin içine kolayca girebilmektedir 1895 de Röntgen tarafından keşfedilmiş ve isimlendirilmiştir
X-IŞINI X-ışınları 1895 yılında Alman fizikçi Wilhelm Conrad Röntgen tarafından keşfedilmiş ve ne olduğu tam olarak açıklanamadığı için bu isim verilmiştir 1901 yılında Fizik Nobeli kazanmıştır Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923)
X-IŞINI ÖZELLİKLERİ X ışını, görünmeyen, yüksek giriciliğe sahip, görünür ışıktan daha kısa dalgaboylu (yüksek frekanslı) elektromagnetik dalgadır. X-ışınları için dalga boyu aralığı 10-8 - 10-11 m, buna karşılık gelen frekans da 3 1016-3 1019 Hz civarındadır.
X-IŞINI KIRINIMI LAUE; Elde ettiği kırınım desenleri ile maddenin kristal yapısı hakkında önemli bilgiler elde etmiştir.
X-IŞINI KIRINIMI X-ışınlarının kristal düzlemleri tarafından kırınıma uğradığı 1912 yılında Laue tarafından gösterildi Kristal üzerine gönderilen sürekli bir X-ışını demeti kristal içinde kırınıma uğrar Kırınıma uğrayan ışıma belirli doğrultularda yoğunlaşır Bu doğrultular kristalin tabakalarından yansıyan dalgalar arasındaki yapıcı girişime karşılık gelir. Kırınım deseni bir fotoğraf filmi üzerine kaydedilir Max von Laue
X-ışını Kırınım Deseninin Örnek Bir Fotoğrafı Aydınlık nokta dizileri Laue desenleri adını alır Kristal yapısı bu noktaların parlaklıkları ve aralarındaki mesafenin analizi ile belirlenir NaCl için kristal yapı aşağıdaki gibidir
BRAGG DENKLEMİ W.L. Bragg kristallerin paralel atom düzlemlerinden oluştuğunu göz önüne almıştır. Gelen dalgalar her bir düzlemden ayrı ayrı yansımaya uğrarlar. Birbiri üzerine dizili pekçok aynadan yansımaya uğrayan ışık girişim desenleri oluşturur. (Gelen açı yansıma açısına eşittir) ө ө
Kristal Düzlemlerinden Yansıma
BRAGG EŞİTLİĞİ Yansımadan önce ve yansıdıktan sonra aynı fazda olan X-ışınları yapıcı bir girişime uğrayarak aydınlık noktaları oluşturur. θ = Gelme açısı θ = Yansıma açısı λ = X-ışını dalgaboyu θ θ 2θ Toplam kırınım açısı = 2θ
BRAGG DENKLEMİ Komşu kristal düzlemleri arasındaki mesafe farkı nedeniyle iki farklı ışın demeti hafifçe farklı uzunlukta yol kat ederler İki demeti dik çizgilerle birbirine bağlayarak bu yol farkı gösterilebilir. DE = d sin θ
BRAGG DENKLEMİ DE mesafesi EF ile aynıdır böylece toplam yol farkı: EF = d sin θ DE = d sin θ DE + EF = 2d sin θ nλ = 2d sin θ Yol farkı dalgaboyunun tam katları şeklinde olduğunda yapıcı bir girişim meydana gelir. Buna Bragg Kırınım Yasası denir.
BRAGG DENKLEMİ 2d sin θ = nλ Burada, d düzlemler arası mesafe ve n kırınımın mertebesidir. Bragg yansıması sadece nλ 2 d dalgaboyu şartında meydana gelir. Bu koşulu sağlamak görünür ışık dalgaboyu ile mümkün olmadığından X-ışınları kullanılmaktadır. Kırınıma uğramış demetler (yansımalar) Bragg yasası ile tanımlanan belirli açılarda oluşabilir.
TEŞEKKÜR EDERİZ