Chemija · Pamoka

Struktūra, sudėtis ir medžiagų apibūdinimas

Naudokite apibrėžtus difrakcijos, sudėties ir vaizdinimo modelius, kad suprastumėte, ką apriboja kiekvienas matavimas ir kurie struktūriniai teiginiai lieka neišspręsti.

Grįžti į chemijos planą

Baigę pamoką, galėsite

Perskaičiuoti nurodytą 2θ į Braggo sąryšyje naudojamą θ.
Atskirti koherentinės srities dydį nuo išorinio dalelės skersmens.
Sujungti sričių masės dalis nuosekliu visos medžiagos pagrindu.
Atskirti pikselių žingsnį nuo nepriklausomai parodytos skyros.

Pasirinkite matavimą konkrečiam struktūriniam klausimui

Sudėties klausimas – kokių komponentų yra ir kokie jų kiekiai. Struktūros klausimas – kaip jie išsidėstę. Morfologija susijusi su forma ir masteliu, o funkcinis bandymas matuoja nurodytą atsaką. Šiems klausimams reikia vienas kitą papildančių įrodymų.

Vaizdas, difrakcinis vaizdas, spektras ir visos medžiagos sudėties rezultatas turi skirtingus tiriamus tūrius ir jautrius. Paviršiaus rezultatas nebūtinai atspindi visą medžiagą, o maža nufotografuota sritis nebūtinai apibūdina visą partiją.

Tarpas ir smailės plotis atsako į skirtingus difrakcijos klausimus

Priskirkite bangos ilgį λ=0.160 nm, difrakcijos eilę n=1 ir nurodytą smailės padėtį 2θ=48.0°. Braggo sąryšyje 2d sinθ=nλ naudojama θ=24.0°, todėl d=0.160/[2 sin(24.0°)]=0.196687467 nm. Refleksui taip pat reikia leidžiamo nenulinio sklaidos indėlio. Vienas suderinamas tarpas nėra visa atominė struktūra.

Atskirame priskirtame Scherrerio pločio modelyje naudokite D=Kλ/(β cosθ), bedimensį Scherrerio formos ir pločio faktorių K=0.900 šiam pasirinktam modeliui ir mėginio FWHM β=0.300°, išmatuotą 2θ skalėje. Numatykite, kad prietaiso sukeltas išplitimas jau pataisytas, o deformacijos sukeltas išplitimas nereikšmingas. Perskaičiuokite β į radianus: 0.300π/180=0.00523598776. Tuomet D=30.1046587 nm.

Toje pačioje smailės padėtyje jau pataisytas 0.150° plotis duoda D=60.2093173 nm. Atvirkštinis pločio sąryšis priklauso šiam pasirinktam formos ir pločio modeliui. Jis įvertina koherentinės srities mastelį, o nebūtinai išorinį dalelės skersmenį. Nepataisytas plotis šio indėlio neišskirtų.

Difrakcija apriboja išsidėstymą per modelį

Paprastame Braggo sąryšyje bangos ilgis ir difrakcijos kampas apriboja tarplokštuminį atstumą. Stebėtas kampas paprastai pateikiamas kaip 2θ, todėl atskirkite jį nuo θ lygtyje. Vien smailių padėtys nesuteikia visos struktūros atomas po atomo.

Intensyvumai, pločiai, simetrija, sudėtis ir modelis suteikia papildomų apribojimų. Baigtinis koherentinės srities dydis, deformacija, prietaiso atsakas ir kiti poveikiai gali veikti smailių pločius. Plotis, interpretuotas pagal vieną priskirtą dydžio modelį, savaime nėra visos dalelės skersmuo.

Vietinis signalas ir diskretizuotas vaizdas turi savo ribas

Nagrinėkite dvi sritis su kalibruotomis elemento Q masės dalimis: 0.700 srityje A ir 0.200 srityje B. Priskirkite visos medžiagos masės svorius 0.100 ir 0.900. Tuomet Q masės dalis visoje medžiagoje yra 0.100×0.700+0.900×0.200=0.250. Hipotetinis paviršiaus matavimas, tiriantis tik A, pagal numatytą kalibravimą pateikia 0.700. Šie skirtingi rezultatai suderinami su viena heterogenine medžiaga.

Jei A masės dalis visoje medžiagoje tampa 0.300, o sričių sudėtys nesikeičia, Q dalis visoje medžiagoje yra 0.300×0.700+0.700×0.200=0.350. Nei tik paviršiaus rezultatas, nei nekalibruotas intensyvumas savaime nesuteikia šios visos medžiagos masės dalies.

Atskirame sintetiniame vaizde dvidešimt keturių pikselių pločio objektas, kai žingsnis yra 3.00 nm vienam pikseliui, turi rodomą 72.0 nm plotį. Du siūlomi objektų centrai, atskirti 9.00 nm, yra per tris pikselius vienas nuo kito. Šiam klausimui numatykite nepriklausomai įvertintą 15.0 nm skyros ribą; pagal ją šie centrai neatskiriami.

Perdiskretizavus tą patį objektą 1.50 nm vienam pikseliui žingsniu, 72.0 nm plotyje gaunami keturiasdešimt aštuoni pikseliai, o numatyta skyros riba lieka penkiolika nanometrų. Daugiau pikselių nesukuria trūkstamos skiriamosios gebos. Duotas slenkstis yra mokomasis susitarimas, o ne universalus mikroskopijos kriterijus.

Skirtingi stebėjimai apriboja skirtingas medžiagos modelio dalis

Apibrėžtas stebėjimas	Patikrintas modelio rezultatas	Sąlyga	Vis dar neišspręstas teiginys
2θ=48.0°, λ=0.160 nm	d=0.196687467 nm	Pirmoji eilė; θ=24.0°	Visa atominė struktūra
Pataisytas FWHM=0.300° 2θ skalėje	D=30.1046587 nm	K=0.900; nereikšminga deformacija	Išorinis dalelės skersmuo
Sričių A/B masės svoriai 0.100/0.900	Q masės dalis visoje medžiagoje 0.250	Sričių Q dalys 0.700/0.200	Kiekvienoje vietoje sudėtis lygi visos medžiagos sudėčiai
24 pikseliai × 3.00 nm vienam pikseliui	Rodomas objekto plotis 72.0 nm	Atskira 15.0 nm skyros riba	Atskirti per 9.00 nm nutolę centrai

Originalus palyginimas, naudojantis keturis priskirtus difrakcijos, sudėties ir vaizdo atvejus. Paskutiniame stulpelyje nurodytas papildomas teiginys, kurio vien rezultatas nenustato. Šios vertės sintetinės, su atskiromis kalibravimo, pločio pataisos ir skyros prielaidomis.

Vidutinė sudėtis gali paslėpti vietinius skirtumus

Visos medžiagos elementų santykis gali būti suderinamas su keliais pasiskirstymais tarp fazių ar vietų. Paviršinis sodrinimas, intarpai ir heterogeninės sritys gali keisti vietinių ir visos medžiagos matavimų palyginimą. Nurodykite pateiktos dalies medžiagos kiekio, masės ar signalo pagrindą.

Metodo skyra ir sąveikos tūris apriboja, ką reiškia atskirtas objektas. Nominalus pikselių žingsnis skiriasi nuo parodytos erdvinės skyros, o detektoriaus signalui reikia kalibruoto sudėties modelio, kad jis taptų elemento kiekiu.

Nuosekliam modeliui reikia kelių patikrų

Sudėtį, formulinius vienetus, gardelės parametrus ir užimtas vietas tikrinkite kartu. Išsaugokite duomenis ir prielaidas, naudotus struktūrai nustatyti, įskaitant nevisiškai tinkančias alternatyvas. Automatinis indeksavimas ar patikslinimas nepanaikina būtinybės patikrinti, ar modelis atitinka stebėjimus.

Siejant išmatuotą bandinį su partija, svarbūs reprezentatyvus mėginių ėmimas ir neapibrėžtis. Čia pateikti sintetiniai palyginimai iliustruoja nuoseklią apskaitą ir ribotas išvadas, o ne tikros medžiagos ar prietaiso validavimą.

Išnagrinėti pavyzdžiai

Naudokite pusę nurodyto difrakcijos kampo

Naudokite n=1, λ=0.160 nm ir nurodytą 2θ=48.0°.

θ=24.0°.
d=0.160/[2 sin(24.0°)]=0.196687467 nm.
Šis tarpas yra vienas difrakcinis apribojimas pagal priskirtą sąlygą.

Tai nėra nei atominio ryšio kampas, nei visa struktūra.

Perskaičiuokite pataisytą plotį į radianus

Naudokite K=0.900, λ=0.160 nm, θ=24.0° ir pataisytą β=0.300° 2θ skalėje.

β=0.00523598776 rad.
D=0.900×0.160/[β cos(24.0°)]=30.1046587 nm.
Prietaiso ir deformacijos indėliai neįtraukti pagal numatytas sąlygas.

Modelis aprašo koherentinės srities mastelį, o ne savaime dalelės skersmenį.

Kalibruotas sričių sudėtis sverkite pagal masę

Naudokite A/B svorius 0.100/0.900 ir Q dalis 0.700/0.200.

A indėlis į Q masės dalį visoje medžiagoje yra 0.0700.
B indėlis yra 0.180.
Jų suma 0.250, o tik A paviršius duoda 0.700.

Paviršiaus rezultatas gali skirtis nuo nuoseklaus visos medžiagos vidurkio.

Atskirkite diskretizavimo žingsnį nuo skiriamosios gebos

Naudokite 24 pikselių plotį, 3.00 nm žingsnį, 9.00 nm centrų atskyrimą ir numatytą 15.0 nm skyrą.

Rodomas plotis yra 72.0 nm.
Atstumas tarp centrų yra trys pikseliai.
Priskirtas skyros slenkstis neleidžia atskirti centrų, nutolusių per devynis nanometrus.

Smulkus rodomo vaizdo diskretizavimas nenustato prietaiso skiriamosios gebos.

Pabandykite patys

Esant tam pačiam λ=0.160 nm ir pirmajai eilei, naudokite nurodytą 2θ=60.0°. Raskite θ ir d bei nurodykite, ar iš to išplaukia visa atominė struktūra.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
θ=30.0°, d=0.160 nm; visa atominė struktūra iš to neišplaukia.
Sinuse naudokite pusę nurodyto kampo; papildomi difrakciniai apribojimai lieka būtini.
Toje pačioje smailės padėtyje jau pataisytas mėginio smailės plotis dabar yra 0.150° 2θ skalėje. Raskite D ir jo santykį; ar tai būtinai išorinis dalelės skersmuo?
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
D=60.2093173 nm; santykis du. Išorinis dalelės skersmuo nenustatytas.
Numatytame Scherrerio modelyje perpus sumažinus β, D padvigubėja; jo kaip srities dydžio interpretacija lieka ribota.
Pakeiskite A masės dalį visoje medžiagoje į 0.300, palikdami tas pačias sričių Q dalis. Raskite visos medžiagos Q ir nustatykite, ar paviršiaus matavimas būtinai jam lygus.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Q masės dalis visoje medžiagoje 0.350; paviršiaus matavimas nebūtinai jai lygus.
0.300×0.700+0.700×0.200=0.350 kalibruotu masės pagrindu.
Perdiskretizuokite tą patį 72.0 nm objektą žingsniu 1.50 nm vienam pikseliui, nekeičiant 15.0 nm skiriamosios gebos. Raskite plotį pikseliais ir nustatykite, ar per 9.00 nm nutolę centrai tampa atskiriami.
Rodyti atsakymą ir paaiškinimą
Keturiasdešimt aštuoni pikseliai; pagal priskirtą slenkstį centrai lieka neatskirti.
72/1.50=48. Vien perdiskretizavimas keičia rodomo vaizdo žingsnį, o ne nepriklausomai įvertintą skyrą.

Ką verta įsidėmėti

Difrakciniam tarpui nustatyti reikia nurodyto bangos ilgio ir kampo susitarimo.
Koherentinė difrakcinė sritis nebūtinai sutampa su visa dalele.
Paviršiaus ir visos medžiagos stebėjimai gali apimti skirtingus komponentų svorius.
Pikselių diskretizavimas ir fizinė skyra yra atskiri ribotumai.

Šaltiniai

Mokomoji medžiaga ir žinynai, kuriais remiasi pamokos paaiškinimai ir pavyzdžiai.