РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ «РЕНТГЕНОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ»

Томск – 2005

I. Oрганизационно-методический раздел

1. Цель курса. Формирование у студента представлений о физике, технике и возможностях рентгеност-

рутурного анализа, практических навыков работы со стандартными дифракционными карти-нами.

2. Задачи учебного курса

Основные задачи курса – изложить основы физики рентгеновских лучей и их практического использования в физике твердого тела, познакомить с основными методами, используемыми в рентгеноструктурном анализе, научить анализировать стандартные дифракционные картины применительно к полупроводниковым и металлическим материалам. Курс базируется на курсах кристаллографии, кристаллохимии, атомной и ядерной физики, аналитической геометрии.

3. Требования к уровню освоения курса

Студент должен знать основы физики рентгеновских лучей, процессы, протекающие в твердом теле при его взаимодействии с излучением, основные методы исследований, исполь-зуемые в рентгеноструктурном анализе, уметь анализировать стандартные дифракционные картины применительно к полупроводниковым и металлическим материалам.

II. Содержание курса 1. Темы и краткое содержание

№ Тема Содержание 1. Физика рентгеновского

излучения Взаимодействие электронного пучка с твердым телом. Ге-

нерация рентгеновского излучения. Природа и свойства излу-чения.

Непрерывное (тормозное) излучение: механизм взаимо-действия, спектральная характеристика, влияние параметров электронного пучка и свойств материала анода.

Характеристическое излучение: механизм возникновения, спектр и его особенности, серии линий. Поглощение рентгеновского излучения веществом: основной закон ослабления лучей, коэффициента ослабления, зависимость от длины волны. Практические приложения закона.

2. Кинематическая теория рассеяния лучей в кристаллах

Уравнение Вульфа-Брегга. Обратное пространство. Ди-фракционные индексы обратной решетки. Сфера Эвальда.

Когерентное и некогерентное рассеяние. Рассеяние сво-бодным электроном. Поляризация рассеянного излучения.

Функция атомного рассеяния. Фурье-образ распределения электронной плотности атома. Его зависимость от длины вол-ны, угла рассеяния, атомного номера рассеивающего вещест-ва. Понятие об атомном рассеянии.

Рассеяние ячейкой кристалла. Структурная амплитуда и

структурный множитель. Дифракция на кристаллической решетке.

Интерференционная функция. Уравнения Лауэ. Главные и побочные максимумы, нулевые значения. Дифракционное расширение узлов обратной решетки.

3. Методы наблюдения дифракции рентгеновских лучей

Сфера ограничения. Метод вращения монокристалла. Метод Лауэ, определение ориентировки монокристалла. Метод порошка. Метод широкорасходящего пучка.

4. Отражательная способ-ность кристалла

Мозаичный кристалл. Выход интегральной отражательной способности с использованием обратного пространства. Инте-гральное отражение от поликристалла. Пределы применимо-сти кинематической теории. Вторичная экстинкция. Понятие о динамической теории Дарвина. Первичная экстинкция. Поправки на поглощение лучей. Влияние тепловых колебаний атомов, тепловой множитель.

5. Анализ профиля рент-геновской линии

Понятие функции профиля. Ширина линии, способы оп-ределения ширины. Области когерентного рассеяния (ОКР). Размытие максимумов за счет малости ОКР. Формула Шерера. Размытие максимумов за счет микронапряжений решетки. Инструментальная и физическая ширина линии. Профиль линии как свертка инструментального и физического уширения.

6. Методы определения размеров ОКР и микрона-пряжений решетки

Метод аппроксимации. Разделение (d1-d2) – дублета. Метод гармонического анализа-профиля (ГАФРЛ). Метод моментов.

7. Метод прецизионного определения параметров решетки

Причины ошибок в определении межплоскостных расстояний. Приемы достижения высокой точности. Рентгеновская дифрактометрия.

8. Определение ориенти-ровки монокристаллов

2. Контрольные вопросы по курсу:

1. Физические процессы, приводящие к возникновению тормозного и характеристического излучений при взаимодействии ускоренного пучка электронов с твердым телом.

2. Выведите уравнение Вульфа-Брегга. 3. Как выглядит дифракционная картина от кубического кристалла с примитивной ячейкой,

с непримитивной ячейкой? 4. Что такое структурная амплитуда, структурный множитель? 5. Что такое сфера Эвальда? 6. Нарисуйте обратное пространство для поликристалла. 7. Нарисуйте обратное пространство для монокристалла. 8. Что такое текстура? 9. Как выглядят дифракционные картина от монокристалла, поликоисталла, аморфного

вещества? 10.Ваши предложения по выбору методов определения параметра решетки монокристалла. 11.Когерентное и некогерентное рассеяние: различия. 12.Представьте в графической форме интерференционную функцию. 13.Что такое экстинкция: первичная, вторичная? 14.Перечислите основные причины ошибок при определении межплоскостных расстояний.

15.Укажите основные причины уширения узлов обратной решетки на рентгенограммах. 16.Выведите основные методы наблюдения дифракции рентгеновских лучей из анализа

уравнения Вульфа-Брегга. 17.Что такое рентгеновская дифрактометрия? 18.Поясните взаимосвязь прямого и обратного пространства. 19.Что такое области когерентного рассеяния? 20.Можете ли вы на простой модели пояснить суть эффектов дифракции и возникновение

интерференционной картины за объектом (твердым телом)? III. Распределение часов курса по темам и видам работ

Аудиторные занятия (час) в том числе №

пп Наименование

темы Всего часов лекции семинары лаборатор.

занятия

Самостоя-тельная работа

1 Физика рентгеновского излучения 4 4

2 Кинематическая теория рассеяния лучей в кристаллах

10 8 2

3 Методы наблюдения дифракции рентгеновских лучей

6 4 2

4 Отражательная способность кристалла

6 4 2

5 Анализ профиля рентгеновской линии 8 6 2

6 Методы определения размеров ОКР и микронапряжений решетки

6 4 2

7 Метод прецизионного определения параметров решетки

2 2

8 Определение ориентировки монокристаллов

2 2

ИТОГО 44 34 10 IV. Форма итогового контроля

Теоретический зачет

V. Учебно-методическое обеспечение курса 1. Рекомендуемая литература (основная):

1. Савицкая Л.К. Рентгеноструктурный анализ. Курс лекций, ч. 1. – Томск: изд-во Томского ун-та, 1982. – 172 с.

2. Савицкая Л.К. Рентгеноструктурный анализ. Курс лекций, ч. 2. – Томск: изд-во Томского ун-та, 1990. – 157 с.

3. Бублин В.Т., Дубровина А.Н. Методы исследования структуры полупроводников и ме-таллов. – М.: Металлургия, 1978. – 272 с.

4. Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников. – М.: Металлургия, 1969.

2. Рекомендуемая литература (дополнительная):

1. Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. – М.: Гос. изд. техн.–теор. литер., 1957.–518 с. 2. Гинье А. Рентгенография кристаллов. – М.: Физматгиз, 1961. – 604 с. 3. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгеноструктурный и электроннооптиче-

ский анализ металлов. – М.: Металлургиздат, 1970. – 352 с. 4. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгено-

графия и электронная микроскопия. – М.: Металлургия, 1982. – 632 с. 5. Современная кристаллография. Т. 1. – Москва, 1979.

Автор: Ивонин Иван Варфоломеевич, д.ф.-м.н., профессор