Difrakce X-ray scattering

Podobné dokumenty
LEED (Low-Energy Electron Diffraction difrakce elektronů s nízkou energií)

Spectroscopy. Radiation and Matter Spectroscopic Methods. Luís Santos

CHAPTER 5 MODIFIED MINKOWSKI FRACTAL ANTENNA

Krystalografie a strukturní analýza

Gymnázium, Brno, Slovanské nám. 7 WORKBOOK. Mathematics. Teacher: Student:

Teorie rentgenové difrakce

Angličtina v matematických softwarech 2 Vypracovala: Mgr. Bronislava Kreuzingerová

Chemie a fyzika pevných látek p2

Entrance test from mathematics for PhD (with answers)

Fourierovské metody v teorii difrakce a ve strukturní analýze

2. Difrakce elektronů na krystalu

Chemie a fyzika pevných látek l

Compression of a Dictionary

Klepnutím lze upravit styl předlohy. nadpisů. nadpisů.

DC circuits with a single source

Dynamic Signals. Ananda V. Mysore SJSU

Stojaté a částečně stojaté vlny

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

Možnosti rtg difrakce. Jan Drahokoupil (FZÚ) Zdeněk Pala (ÚFP) Jiří Čapek (FJFI)

Bioimaging rostlinných buněk, CV.2

Charakterizace koloidních disperzí. Pavel Matějka

1 Teoretický úvod. 1.2 Braggova rovnice. 1.3 Laueho experiment

MTP-7-optické materiály. Optické vlastnosti materiálů

Aktivita CLIL Chemie III.

Configuration vs. Conformation. Configuration: Covalent bonds must be broken. Two kinds of isomers to consider

Introduction to MS Dynamics NAV

WORKSHEET 1: LINEAR EQUATION 1

18 Podmínky pro směry hlavních difrakčních maxim při difrakci na mřížkách

Transportation Problem

DATA SHEET. BC516 PNP Darlington transistor. technický list DISCRETE SEMICONDUCTORS Apr 23. Product specification Supersedes data of 1997 Apr 16

Database systems. Normal forms

Aplikace matematiky. Dana Lauerová A note to the theory of periodic solutions of a parabolic equation

Dynamic programming. Optimal binary search tree

Krátká teorie. Monochromatická elektromagnetická vlna Intenzita světla Superpozice elektrických polí. Intenzita interferenčního obrazce.

Využití hybridní metody vícekriteriálního rozhodování za nejistoty. Michal Koláček, Markéta Matulová

Mikroskopické metody Přednáška č. 3. Základy mikroskopie. Kontrast ve světelném mikroskopu


EXACT DS OFFICE. The best lens for office work

Fyzika rentgenových paprsků

Počítačové simulace a statistická mechanika

Alexey Kovalev. Department of Physics. Collaborators: L. Zabro, Y. Tserkovnyak, G.E.W. Bauer, J. Sinova

Maturitní témata z fyziky

A constitutive model for non-reacting binary mixtures

Fyzika rentgenových paprsků

Úvod do fyziky tenkých vrstev a povrchů. Typy interakcí, základy elektronové difrakce, metody LEED a RHEED

DIFRAKCE ELEKTRONŮ V KRYSTALECH, ZOBRAZENÍ ATOMŮ

2. Spektrální metody pro prvkovou analýzu léčiv rentgenová fluorescenční analýza

Obrábění robotem se zpětnovazební tuhostí

Řešení: Nejdříve musíme určit sílu, kterou působí kladka proti směru pohybu padajícího vědra a napíná tak lano. Moment síly otáčení kladky je:

Difrakce elektronů v krystalech, zobrazení atomů

Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/ Název projektu: Inovace a individualizace výuky

Tento materiál byl vytvořen v rámci projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

LIGHT SOURCE FOR PUPILS EXPERIMENTS

Effect of temperature. transport properties J. FOŘT, Z. PAVLÍK, J. ŽUMÁR,, M. PAVLÍKOVA & R. ČERNÝ Č CTU PRAGUE, CZECH REPUBLIC

1. Parametrické vyjádření přímky Přímku v prostoru můžeme vyjádřit jen parametricky, protože obecná rovnice přímky v prostoru neexistuje.

Difrakce elektronů. Podstata difrakce

The Over-Head Cam (OHC) Valve Train Computer Model

Uživatelská příručka. Xperia P TV Dock DK21

The tension belt serves as a tension unit. After emptying the belt is cleaned with a scraper.

Detekce nabitých částic Jak se ztrácí energie průchodem částice hmotou?

Production: The Case of One Producer

SPECIFICATION FOR ALDER LED

Hmotnostní spektrometrie Mass spectrometry - MS

SPECIAL THEORY OF RELATIVITY

do strukturní rentgenografie e I

Litosil - application

KUZMA. Zákaznický ceník platný od května 2014 včetně DPH 21% I.Tonearms

17 Konečná krystalová mřížka a její Fourierova transformace. Mřížková a tvarová amplituda

PROFILY DO SÁDROKARTONU ARCHITECTURAL LED FIXTURES

VY_32_INOVACE_06_Předpřítomný čas_03. Škola: Základní škola Slušovice, okres Zlín, příspěvková organizace

STUDY OF SCATTERING AND POLARIZATION IN BIOLOGICAL TISSUE STUDIUM ROZPTYLU A POLARIZACE V BIOLOGICKÝCH TKÁNÍCH

Friction drives have constant or variable drives (it means variators). Friction drives are used for the transfer of smaller outputs.

Přednáška 12. Neutronová difrakce a rozptyl neutronů. Martin Kormunda

Radiova meteoricka detekc nı stanice RMDS01A

MC Tlumiče (řízení pohybu) MC Damper

Melting the ash from biomass

Transformers. Produkt: Zavádění cizojazyčné terminologie do výuky odborných předmětů a do laboratorních cvičení

STLAČITELNOST. σ σ. během zatížení

Lasery RTG záření Fyzika pevných látek

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenografie, RTG prášková difrakce

CHAIN TRANSMISSIONS AND WHEELS

Přednáška 11. GISAX (Grazing-Incidence Small-Angle X-Ray Scattering) Martin Kormunda

GENERAL INFORMATION RUČNÍ POHON MANUAL DRIVE MECHANISM

AIC ČESKÁ REPUBLIKA CZECH REPUBLIC

Základy teorie front III

Enabling Intelligent Buildings via Smart Sensor Network & Smart Lighting

Executive office furniture system LINEART. Systém manažerského nábytku LINEART

Problematika ozvučování zohledňuje tyto disciplíny:

Rožnovský, J., Litschmann, T., Středa, T., Středová, H., (eds): Extrémy oběhu vody v krajině. Mikulov, , ISBN

STRUCTURE AND PROPERTIES OF LIQUIDS

Relativnost současnosti dvou nesoumístných událostí poprvé (UDÁLOSTI NEJSOU SPOJENY KAUZÁLNĚ)

Úvod do strukturní analýzy farmaceutických látek

PC/104, PC/104-Plus. 196 ept GmbH I Tel. +49 (0) / I Fax +49 (0) / I I

CARBONACEOUS PARTICLES IN THE AIR MORAVIAN-SILESIAN REGION

Fourth School Year PISTON MACHINES AND PISTON COMPRESSORS

Metody využívající rentgenové záření. Rentgenovo záření. Vznik rentgenova záření. Metody využívající RTG záření

KULOVÝ STEREOTEPLOMĚR NOVÝ přístroj pro měření a hodnocení NEROVNOMĚRNÉ TEPELNÉ ZÁTĚŽE

OBSAH. RELAXsunglasses.com

Program XPS XRD XRF. Martin Kormunda

Transkript:

Difrakce X-ray scattering

Interaction of X-rays with samples Scattering Important because no lenses for imaging Need understanding of how atomic structure affects the scattering of materials Absorption

Electromagnetic waves. E i = E Oi exp[2πiν(t-x/c)] = E Oi [cos2πν(t-x/c)+isin2πν(t-x/c)] E i is field, t time, x position - from origin O. i = -1 E i represented as complex vector. Field accelerates a charged particle with frequency ν. Max. acceleration as particle passes node max E i. Thus (electron) particle displacement π/2 from E i. The accelerating orbital electron initiates a second electromagnetic wave with a 2nd phase change of π/2. E i E Oi

Elastic Scattering Coherent, Thompson. No loss of energy (λ unchanged). Phase changes exactly π. Dominates diffraction. Mechanism to be discussed a little later.

Coherent Scattering Incident X-ray photon Scattered X-ray photon Low energy photons only scattering, no ionization

Thompson scatter. Consider the electric field at an observation position r: E i = E Oi exp[2π iν(t - r/c) iπ] Thompson scattered wave (E d ): E d = (1/r) E Oi (e 2 /mc 2 ) sin φ mass, m in denominator nuclei unimportant φis the angle between electron acceleration and direction of scatter

Another implication of the Thompson Equation Integration over all directions For crystal of A typical size Perfect condition Shows 2% of x-rays diffracted Weak data

Polarization Assuming polarized x-rays Electrons oscillate E Oi and E Oi s oscillation Along direction of electron oscillation, no E d Orthogonal to e- oscillation: E d (1/r) E Oi Non-polarized x-rays = sum of two orthogonallypolarized waves. Partially polarized: weighted sum Most experimental sources Degree of polarization depends on apparatus, not structure Correct as if data collected with sin φ = 1.0.

Compton Scattering Inelastic, Incoherent. In collision w/ e (rarely nucleus)... Fraction of energy transferred Change in wavelength Phase unpredictable. weak background non- Bragg scatter. Usually a nuisance, requiring correction E Energy of incident photon E - - scattered photon mc 2 mass equivalent energy of 1electron

Example Photoelectric effect Photon with energy 40keV enters Photoelectron from K-shell with energy (40-33.2)=6.8keV exits Electron from M- to K-shell Characteristic radiation at (33.2-0.6)= 31.6KeV in a random direction. The Atom now has positive charge Iodine Energy levels K -33.2keV L -4.3keV M -0.6keV K L M

X-rays Fluorescence. Excited atoms return to minimal state. Release series of energy quanta. Sometimes of x-ray energy. Characteristic lines.

Diffraction

Diffraction No lenses available for X-ray

Constructive interference Two coherent wave sources produce a diffraction image on a distant screen. Coherent sources are produced by passing waves from a single source S through two slits, S 1 and S 2, of size of the order of the wave s wavelength. According to Huygens principle that every point on a wave front behaves like a point source, the slits produce two coherent sources.

Interference I Bright r 2 r 1 S 1 S d θ n Bright S 2 Bright λ=wavelength d=distance between slits S=slits r=optical paths of wave fronts n=diffraction number r r = d sinθn = nλ 1 2

Interference II. λ d n = 2 n = 1 n = 0 n = -1 n = -2 grating screen In a diffraction grating for visible light, constructive interference between light rays passing through slits of the grating leads to light intensity ONLY at certain locations on the screen:

Interference III. s o φ ψ S detector λ a crystal lattice k = s/ λ, k =vlnový vektor s=ednotkový vektor Laue equations hλ = a(cos ψ 1 cosφ 1 ) = (s.a s 0.a) kλ = a(cos ψ 2 cosφ 2 ) = (s.b s 0.b) lλ = a(cos ψ 2 cosφ 2 ) = (s.c s 0.c)

Original von Laue Formulation of X-Ray Diffraction s=ñ-ednotkový vektor

Bragg s Law 2d hkl sinθ = nλ Correlates X-ray wave length, λ, interplanar spacing, d, and reflection angle, θ.

Θ A BD = d sin Θ DC = d sin Θ B C d hkl BD + DC = n λ D Bragg rovnice: 2d hkl sin Θ = n λ

Reálný Prostor Reciproký prostor h,k,l (uzlové roviny) h,k,l (mřížkové body) Vektor reciproké mřížky : H hkl = ha * + kb * + lc * a*,b*, c* - bázové vektory reciproké mřížky h, k, l Miller Indexy roviny Reciproký vektor e kolmý na osnovu hkl rovin Délka reciprokého vektoru e 1/d. d mezirovinná vzdálenost Reciproká mřížka (opakování)

Laue-ho podmínky pro difrakci Laue rovnice hλ = (s.a s 0.a) kλ = (s.b s 0.b) lλ = (s.c s 0.c) H hkl = ha*+kb*+lc* skalární součin a.h hkl = h Spoením obou rovnic dostáváme ednoduchou rovnici pro difrakci: k = s/ λ, Laue rovnice h = (k.a k 0.a) k = (k.b k 0.b) l= (k.c k 0.c) a.h hkl = h b.h hkl = k c.h hkl = l k - k o =H hkl k směr rozptýleného záření k 0 směr dopadaícího záření H vektor reciproké mřížky h,k,l indexy roviny odpovídaící vektoru H

Difrakce. Geometrická interpretace k - k o = H hkl =H hkl

Ewald Construction Ewald Construction for XRD Ewald Construction

ELECTRON DIFFRACTION PATTERNS A SPOT PATTERN REPRESENTED A PARTICULAR PLANE OF THE RECIPROCAL LATTICE PASSING THROUGH OF THE POINT 000 H hkl = ha* + kb* = lc* a*, b*, c* are axial vectors, h,k,l are point indices

INDEXING OF DIFFRACTION PATTERN

Intenzita

Starting Assumptions For x-rays, electrons, and neutrons incident on a crystal, diffraction occurs due to interference between waves scattered elastically from the atoms in the crystal. If we treat the incident waves as plane waves and the electrons as ideal point scatterers, the scattered waves are spherical waves. We will assume they are also isotropic.

Physical Model for X-ray Scattering Consider two parallel plane waves scattered elastically from two nearby electrons A and B in a solid material: A P k v v v k ρ O ψ incident = φe elastic scattering: v v i( k r ωt) v k = B v k ψ scattered = φ f e ω R v i( k r v t) f = scattering power of electron

Phase Difference Between the Waves For the spherical waves scattered from electrons A and B : ψ A = φ f e ω R A v i( k r v t) ψ v i( k r v t+ Δ) R A = position of detector relative to A R A = position of detector relative to B r = position of B relative to A Δ= phase difference between Ψ A and Ψ A v r v r r v v r v Δ = k + k = ( k k ) = Δk B = φ f e ω R B scattering vector So the wave scattered from the -th electron is: R position of atom relative to A ψ = φ f R e v r v i( k r v ωt+ Δk )

Sum of Scattered Waves Thus the total scattered wave at the detector is: ψ = all el φ f. R e v v i( k r ωt) e r i( v Δk ) φ f R e v v i( k r ωt) all el. e r i( v Δk ) For a small sample, the distances R are all essentially the same ( R). Thus we see that constructive and destructive interference between the scattered waves that reach the detector is due to the atomic sum. The detector location is determined by the scattered wave vector k and thus Δk. We can see: General wave motion Sum represents Amplitude

Atomic scattering factors Atomový faktor Rozptyl na všech elektronech ednoho atomu Z sin(θ)/λ

Summing Over Lattice points Now assume a crystal whose lattice has base vectors a, b, c, with a total number of atoms along each axis M, N, and P, respectively: Thus the amplitude of the total wave at the detector is proportional to: ψ v M 1 N 1 P 1 i( r Δk ) v v v v i[( ma+ nb + pc ) Δk ] e = e all atoms m= 0 n= 0 p= 0 Replacing n 1 n 2 n 3 with the familiar hkl, we see by inspection that these three conditions are equivalently expressed as: v Δ r * * k = H hkl = ha + kb + The sum of the scattered x-rays from the crystal was found to be composed of two components: sum over the lattice and sum over the one unit cell A f all atoms e r v i( Δk ) = lc * lattice basis f e r r i2π ( H hkl )

Strukturní Faktor F hkl Strukturní faktor e suma rozptylových schopností (vln) všech atomů v základní buňce (součet komplexních čísel, vektorový součet) F hkl = f e r i2π ( r H hkl ) ( hx + ky lz ) r H r = + hkl f atomový (rozptylový) faktor Kde reciproký vektor a polohy všech atomů vbuňce sou: r H hkl = ha v * + v kb * + lc v * r = x a v + y v b + z c v

Structure factor The structure factor F(hkl) is (vector) sum of the scattering f of each atom in the unit cell b Im F(hkl) Re O a v F( hkl) = f exp π + { 2 i( hx + ky lz )}

Intenzita I hkl Intenzita e druhá mocnina (čtverec) absolutní hodnoty strukturního faktoru. Intenzita e reálné (ne komplexní číslo). Informace o fáze strukturního faktoru zaniká. I hkl = F hkl F * hkl Intenzita závisí také na experimentálních podmínkách: Polarizace rtg. záření, rychlostí pronikání vektoru difrakční sférou (Lp faktor). Absorpční faktor. Extinkční faktor. Integrální intenzita.

Difrakční snímek

Laue Metoda Laue Pattern

Prášková metoda

Záznam

Práškový záznam 3000 110 I 2000 1000 111 200 211 220 310 0 30 40 50 60 70 80 2 Θ Braggova rovnice: 2d sin Θ = n λ

Scattering by elements of electron density F(r*) = Σ N =1 A exp 2πi r* r Let r be center of infinitely small element of electron density, ρ. Consider total scattering: F(r*) = V ρ(r)exp 2πir* r dr Right-hand side FT(ρ). Structure determination: measure amplitude determine phase throughout (continuous) function, F(r*) compute inverse FT electron density: ρ(r) = T -1 [F(r*)] = V* V* F(r*)exp -2πi r* rdr*

Atomic Factor eqn.(2) f at atomic scattering factor FT isolated atom (later): Depends on # electrons, thermal vibration. Tabulated theoretical or experimental values. Can be approximated by spherically symmetric Gaussian. But usually more sophisticated description Scattering FT(molecule)