Лабораторная работа выполняется в пять этапов:
1 этап. Знакомство с установкой ДРОН-3М. ДРОН-3М – установка, на которой проводится диагностика структуры вещества с помощью рентгеновских лучей. Чаще всего этот вид анализа применяется для исследования твёрдых веществ, обладающих кристаллической структурой, где роль строительных единиц выполняют атомы, ионы, молекулы, комплексы и т.д. Основная закономерность – повторяемость с определённым периодом в трёх направлениях (реже в двух) элементарной ячейки, отражающей всю суть кристаллической структуры каждого вещества, его симметрию, его элементный состав.
ДРОН-3М относится к дифрактометрам с фотоэлектрической регистрацией рентгенограмм. Управление полуавтоматическое. Начальную установку параметров работы рентгеновской трубки начальный угол регистрации дифрактограммы, скорость вращения двигателя гониометра и открывание шторки рентгеновской трубки производится вручную:. Пуск двигателя гониометра, регистрация дифрактограммы и остановка двигателя гониометра производится по программе „Dron.exe“.
2 этап. Подготовка образцов к исследованиям. Материал (образец) измельчается до пудры в ступке, которая протирается спиртом (ацетоном) до и после истирания. Истолчённым образцом заполняется кювета из кварцевого стекла, которая предварительно смазывается вазелином и пришлифовывается. Подготовленная проба устанавливается в соответствующую гониометрическую приставку.
3 этап. Работа на установке ДРОН-3М и получение дифрактограмм исследуемого вещества. Самостоятельная работа без преподавателя или ответственного за ДРОН-3М запрещена!
Перед включением необходимо проверить исходное состояние всех переключателей в соответствии с технической документацией на ИРИС-0 и на КУД-1а и на ДРОН-3М подать холодную воду для охлаждения рентгеновской трубки. Включают установку и в течение 1 часа прогревают ИРИС-0. Разогрев рентгеновской трубки проводится постепенным увеличением напряжения и силы тока с 10 кВ и 10 мА до 35 кВ и 25 мА.
Предполагается, что ДРОН-3Мм настроен для соответствующих исследований, т.е. выбраны величины основных параметров:
– сила тока и напряжение на рентгеновской трубке;
– рентгеновское излучение отъюстировано на оптимальный режим работы: установлены соответствующие щели, диафрагмы и фильтры;
– выбрана скорость движения детектора (в нашем случае 0,5 градуса/минуту);
– данные передаются непосредственно на компьютер через соответствующий контроллер, при работе с которым руководствуются соответствующим описанием программы.
В любом случае, такая настройка должна обеспечить чёткость положения пиков и амплитуду этих пиков в выбранном угловом диапазоне дифрактограммы.
Вращение датчика рекомендуется проводить с начального угла 9–100 до конечного угла 700. Это обстоятельство обусловлено опытом работы. При необходимости диапазон углов может быть расширен (до 360 0).
4 этап. Расшифровка полученных дифрактограмм.
Дифракция рентгеновского излучения на кристаллической решётке подчиняется закону Вульфа-Брегга
2d Sin q = nl, (1)
где n – целое число,
d – межплоскостное расстояние,
l - длина волны рентгеновского излучения,
q - угол Вульфа-Брегга, под которым лучи, отражённые атомной плоскостью, имеют максимальную интенсивность.
Для расшифровки дифрактограмм определяют значения углов 2qi в максимуме каждого i-го пика. По формуле Вульфа-Брегга (1) определяют межплоскостные расстояния di в предположении, что n = 1 (ибо невозможно сразу определить порядок отражения).
Рассмотрим конкретный пример:
Оценка межплоскостных расстояний
1) пусть даны пики с максимумами от q1 = 29 0 до q2 = 40 0 по справочнику [21] в колонке 2q находим соответствующие значения, при этом необходимы сведения об используемой трубке (например: медная трубка), т.е. смотрим в колонке dCu [6, 21]
2 q = 29,5 dCu = 3,028 108 105
2 q = 31,50 dCu = 2,84 112 106
2 q = 36,22 dCu = 2,48 124 109
2 q = 39,52 dCu = 2,28 130 110
2) Возможно использование специально заготовленного Exel-файла “Cu-d заготовка”, в котором, по определенным из экспериментального графика значений 2qi , автоматически определяются соответствующие значения di (это альтернатива линейке ВИМСа или примера 1).
Определение качественного состава.
Качественный состав определяют с использованием соответствующих справочников [20, 38]:
Оцениваем (приблизительно или оценочно) интенсивность (I) всех пиков, принимая наибольший из пиков за 100 %.
По двум параметрам di и Ii определяем качественный состав исследуемого образца.
I/n | I | I/n | I | I/n | I | I/n | I | I/n | I | Название минерала | № |
3,029 | 10 | 1,0444 | 10 | 1,869 | 9 | 1,912 | 8 | 2,088 | 7 | Кальцит CaCO3 | 424 |
При использовании справочника [20] ищем номер карточки данного минерала. Пусть имеем d = 3,029. Тогда на стр.156 находим:
Сравниваем строчки главных табличных интенсивностей и межплоскостных расстояний с определёнными значениями. Нас устраивают значения кальцита, которые находятся в 424 карточке на 488 странице этого определителя.
Принцип поиска неизвестного минерала по картотеке [38] аналогичен.
Американская картотека – наиболее полный рентгенометрический справочник. Принцип формирования картотеки – хронологический: в виде набора (сета) карточек по году.
Первый сет – 1943 г. – 1300 штук и т.д.
| Наименование | Кол-во карточек |
| Полная картотека | 35534 |
| Неорганические соединения | 24971 |
| Органические соединения | 10721 |
| Металлы и сплавы | 5700 |
| Минералы | 3039 |
| Наиболее распространенные соединения | 2378 |
| Порошков (по дифрактограммным данным национального бюро стандартов США) | 947 |
Карточки помечены символами х, i, o, которые означают степень достоверности данных:
х – максимальная;
i – средняя;
о – низкая.
При расшифровке дифрактограмм допускаются колебания межплоскостных расстояний, d, на 0,1–0,2 единицы.
На распечатанной диффрактограмме (по программе Exel) предлагается красить пики различных минералов в разные цвета, что удобно при поиске. При получении данных в виде распечатки форма отчётности о проделанной работе представляется в виде расшифрованной цветной дифрактограммы, один из экземпляров передается в архив лаборатории кафедры, другой – в соответствующий отчет.
5 этап. Анализ полученных результатов и оформление отчета. В последнем этапе проводится анализ минерального состава образца определенного с помощью рентгеноструктурного анализа и делаются выводы.
Содержание и оформление отчета:
Отчёт по лабораторной работе выполняется на листах белой бумаги формата A4 в печатном виде (приложение 1). Объем текста 5–7 страниц. Работа должна иметь следующие разделы:
1.Титульный лист (приложение 2)
2. Цель работы
3. Методика выполнения работ и устройство дифрактометра ДРОН-3М
4. Подготовка образцов к исследованиям.
5. Ход эксперимента с получением дифрактограммы и таблиц.
6. Выводы с рекомендациями о возможности использования минерального сырья.
7. Список используемой литературы
Рекомендуемая литература
1. Гиллер Я.Л. Таблицы межплоскостных расстояний. /в 2-х томах, Т..2, - М: Недра,1966, – 360 с.
2. Михеев В.Н. Рентгенометрический определитель минералов. – М.: Гос. научн.-техн. изд-во, 1957. – 34 с.
3. Недома И. Расшифровка рентгенограмм порошков. – М.: Металлургия, 1975. – 56 с.
4. Powder Diffraction File. ISPDS, International Centre for Diffraction Data. (ASTM). – (картотека Американского общества испытателей материалов ASTM). Наиболее полный рентгенометрический справочник.
Лабораторная работа № 8
Люминесцентное исследование минералов
Люминесценцией называют неравновесное излучение, избыточное по отношению к тепловому излучению тела, после возбуждения продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний (τ ~ 10–10). Целью предлагаемой лабораторной работы является закрепление теоретических знаний, полученных в курсе «Методы исследования радиоактивных руд и минералов» и знакомство на практике с методами люминесцентного анализа.
Лабораторная работа состоит из двух этапов:
1 этап. Знакомство с методами люминесцентного анализа. В зависимости от способа возбуждения выделяют несколько видов люминесценции, различающихся также характером физических процессов, протекающих в минерале:
фотолюминесценция – возбуждение производится электромагнитным излучением оптических частот;
катодолюминесценция – возбуждение осуществляется за счет энергии падающих электронов;
радиолюминесценция – возбуждение возникает под действием различных видов радиоактивного излучения;
хемилюминесценция – возбуждение возникает за счет энергии химических реакций;
термолюминесценция – свечение возникающее при нагревании;