Эксперимент по дифракции электронов
Широкое распространение получил метод наблюдения дифракции
электронов, предложенный в 1927 г. Дж. П. Томсоном. Этот метод лежит в основе устройства одного из современных вариантов электронографа.
Рис. 1.2
В принципе, метод Томсона достаточно прост. Электронная пушка (1) формирует тонкий пучок электронов, ускоренных напряжением в несколько десятков киловольт (рис. 1.2). Электроны проходят через исследуемый тонкопленочный образец (2), а затем регистрируются с помощью флюоресцирующего экрана или фотопластинки (3). В результате, на фотопластинке образуется дифракционная картина в виде концентрических колец, которая носит название электронограммы.
Кольцевая структура электронограммы объясняется следующим образом. Чаще всего тонкопленочный образец имеет поликристаллическую структуру, т. е. состоит из множества хаотически ориентированных микроскопических кристалликов (рис. 1.3).
Рис. 1.3
Электроны отражаются от тех кристаллографических плоскостей, которые ориентированы в пространстве таким образом, что для них выполняется условие Вульфа-Брэгга (1.15). В результате, отраженные электроны будут лететь в направлениях, которые лежат на конической поверхности с углом раскрытия 2q. На линии пересечения этой конической поверхности с плоскостью фотопластинки и образуется дифракционное кольцо. Поскольку условие Вульфа-Брэгга может реализовываться для нескольких различных значений межплоскостного расстояния d и порядка дифракции n, то электронограмма обычно содержит несколько колец. Число колец и их диаметры зависят от структуры кристалла.
|
|
|
Легко найти соотношение, связывающее радиус дифракционного кольца R с соответствующим межплоскостным расстоянием. Из (рис. 1.2) видно, что
где L – расстояние от образца до фотопластинки. Обычно угол 2q мал, вследствие чего
Подставив это значение угла q в условие Вульфа-Брэгга, получаем искомую формулу
(1.16)
В некоторых случаях электронограммы состоят из отдельных пятен, симметрично расположенных по концентрическим окружностям. Подобные пятнистые электронограммы получаются для пленок с упорядоченным расположением микрокристалликов. Обычно такие пленки возникают при кристаллизации вещества из пара на подогретой металлической подложке. Электронограммы от аморфных (некристал-лических) пленок имеют вид сильно размытых сплошных концен-трических колец.
Статистической характер дифракции электронов
Вернемся к вопросу о статистическом (вероятностном) характере процесса дифракции. Пусть регистрация электронов, испытавших рассеяние на кристалле, производится с помощью фотопластинки. Отдельный электрон оставляет на фотопластинке пятнышко. Если электронов мало, то фотопластинка будет напоминать мишень, простреленную небольшим количеством пуль, а расположение пятнышек на ней будет казаться совершенно случайным. Закономерность выявится лишь тогда, когда на фотопластинку попадет достаточное количество электронов. При этом оказывается, что пятнышки концентрируются преимущественно в тех местах, где должны получаться дифракционные максимумы волн де Бройля. Совокупность пятнышек и образует дифракционную картину, получающуюся на опыте. Существенно, что дифракционная картина окажется одинаковой независимо от того, образуется ли она постепенно электронами, последовательно проходящими по одному через кристалл или сразу (т.е. за малый промежуток времени) интенсивным пучком электронов, в котором содержится то же число частиц.
|
|
|
Как уже отмечалось, независимость вида дифракционной картины от плотности потока электронов свидетельствует о том, что каждый отдельный электрон в результате взаимодействия с кристаллом интерферирует сам с собой. Механизм этой – квантовой – интерфе-ренции следующий. Исходная волновая функция электрона (падающая волна де Бройля) рассеивается на всех частицах, входящих в кристалл. Рассеянные кристаллом вторичные Y-волны в некоторых направлениях усиливают, в некоторых – гасят друг друга. При этом вероятность попадания электрона в то или иное место фотопластинки пропорциональна квадрату модуля суммы всех вторичных Y-волн в данном месте.
|
|
|
Электронография
Дифракция электронов является физической основой электронографии – метода изучения структуры вещества, основанного на рассеянии ускоренных электронов исследуемым образцом. Электронография широко применяется для изучения атомной структуры кристаллов, аморфных тел и жидкостей, а также молекул в газах и парах.
Электронографические исследования проводятся на специальных приборах – электронографах. В них в условиях высокого вакуума электроны ускоряются электрическим полем, фокусируются в узкий интенсивный пучок, а образующиеся после прохождения через образец дифрагированные пучки либо фотографируются (давая электроно-граммы), либо регистрируются фотоэлектрическим устройством. По существу, в электронографах реализуется схема дифракции, приведенная на рис. 1.2.
|
|
|
Интенсивность и пространственное распределение дифрагированных пучков находятся в строгом соответствии с атомной структурой образца, размерами и ориентацией отдельных кристалликов и другими структурными параметрами. Вся эта информация может быть извлечена из получаемых электронограмм. Благодаря несравненно более сильному, чем для рентгеновских лучей, взаимодействию электронов с веществом, а также из-за возможности создания интенсивных пучков, экспозиция для получения электронограммы обычно составляет около секунды, что позволяет исследовать структурные превращения, например, кристаллизацию. Электронография позволила исследовать атомные структуры огромного числа веществ, существующих лишь в мелкокристаллическом состоянии. Она обладает также преимуществом перед рентгеновским структурным анализом в определении положения легких атомов в присутствии тяжелых.
Одна из простейших задач электронографии – определение межплоскостных расстояний, а также индексов Миллера кристалла по радиусам дифракционных колец на электронограмме тонкопленочного образца.
Как уже отмечалось, межплоскостные расстояния d зависят от положения плоскости в кристалле (см. рис. 5.1). Положение плоскости в кристалле принято задавать тремя целыми числами (h , k , l), которые носят название индексов Миллера. Эти числа обратно пропорциональны длинам отрезков, отсекаемых плоскостью на осях координат. В случае кубической решетки соотношение, связывающее межплоскостные расстояния с индексами Миллера, имеет вид
 ,
| (1.17) |
где а – длина ребра элементарной кубической ячейки.
Дата добавления: 2021-04-05; просмотров: 181; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!