Монокристалльный метод рентгенографии

Этот метод используется для исследования размеров и симметрии элементарной ячейки и выявления структуры минерала. С его помощью можно определить положения всех атомов в элементарной ячейке. При исследовании используется отдельный кристалл или его фрагмент (обычный размер < 0,5 мм). При этом методе можно фотографировать кристалл, подвергнутый рентгеновскому облучению. Изображение фиксируется на фотопленке в виде набора темных точек. Сначала делают несколько предварительных фотографий, чтобы правильно сориентировать кристалл, чтобы одна из кристаллографических осей оказалась параллельной оси вращения камеры. Существует несколько типов камер для изучения монокристаллов.

Самая ранняя разновидность такого метода – метод Лауэ. Неподвижный кристалл облучается белым излучением, и отражения регистрируются на плоском листе пленки, размещенном позади кристалла.

При прецессионном фотографировании кристалл облучают монохроматическим излучением. Кристалл вращают (вместе с пленкой). Получают изображение симметрии кристалла. Также можно определить параметры элементарной ячейки.

Современные определения структуры кристаллов опираются на данные, полученные с использованием монокристалльных дифрактометров.

Дифракция нейтронов

Так как нейтроны также могут рассеиваться атомными плоскостями кристалла, они могут использоваться для определения кристаллической структуры. Однако в отличие от рентгеновских лучей и электронов, которые рассеиваются электронами, рассеяние нейтронов вызывается ядрами атомов. Дифракция нейтронов позволяет распознавать атомы с близкими атомными номерами, например, такими как Si и Al. Следовательно этот метод можно использовать для определения степени упорядочения решетки в тетраэдрических узлах алюмосиликатов, а также для обнаружения легких элементов, таких, как H и Li, выявить которые традиционными рентгеновскими методами бывает затруднительно. Также этот метод позволяет изучать магнитную упорядоченность в минералах.

Дифракцию нейтронов можно использовать методами порошка и монокристаллов. Но имеются важные ограничения, которые препятствуют их широкому применению в минералогии. Во-первых, пучок нейтронов маломощен (обладает слабым потоком), поэтому требуется большее количество материала (несколько грамм, или кристалл размером в несколько миллиметров). Во-вторых, в большом количестве нейтроны генерируются лишь в ядерных реакторах, поэтому такие исследования могут проводиться только на специальных ядерных установках.

Дифракция электронов и электронный микроскоп

Электроны, подобно рентгеновским лучам и нейтронам, рассеиваются атомными плоскостями. Электронные дифракционные картины получаются с помощью просвечивающего (трансмиссионного) электронного микроскопа (ПЭМ). Отличие дифракции электронов от рентгеновских лучей и нейтронов заключается в том, что дифракция электронов происходит приблизительно в 100 раз интенсивнее, что позволяет исследовать гораздо меньшие объемы вещества, чем при рентгеновских исследованиях. Главное различие, однако, состоит в том, что электроны, в отличие от рентгеновских лучей могут фокусироваться магнитными линзами, что с легкостью позволяет получать изображение на ПЭМ. Существует много общего в получении изображения в обычном поляризационном микроскопе и в электронном. У ПЭМ источником электронов является нить электронной пушки. Электроны образуются при прохождении через нить сильного электрического тока и ускоряются за счет разности потенциалов между анодом и катодом. Затем пучок электронов проходит через ряд электромагнитных линз, которые фокусируют электроны в пучок. После этого пучок проходит через образец и электроны рассеиваются атомными плоскостями. Затем дифрагированный пучок проходит через линзы объек5тива, а затем через систему промежуточных и проекционных линз, которые служат для увеличения изображения и проецирования его на экран. Для того, чтобы электроны не рассеивались, в колонне микроскопа создают вакуум. Для электронно-микроскопических исследований применяют очень тонкие образцы (толщиной менее 1 мкм), а для того, чтобы получить изображение образец должен быть не толще 10 нм (это достигается растирание образца в порошок).

Методы исследования химического состава минералов

Наиболее широкое применение в настоящее время получили методы анализа минералов, основанные на испускании атомами характеристического рентгеновского излучения. Рассмотрим два основных метода: электронно-зондовый (микрзондовый) и рентгено-флуоресцентный микроанализ (РФА) минералов. Ни один из этих методов не может определить содержание легких элементов (лития, водорода и бериллия), поэтому для определения состава этих элементов применяют другие аналитические методы.

До промышленного выпуска электронного зонда провести полный анализ химического состава минерала было трудоемко, требовалось довольно значительное количество материала (не менее 0,1 г), его чистота. Весь материал использовался при анализе. Методы мокрой химии, хотя и являются очень точными, если выполняются опытным аналитиком, весьма трудоемки и позволяют получить лишь средний состав, без учета неоднородностей образца, его зональности. В настоящее время эти проблемы успешно решены из-за развития таких методов как электронно-зондовый и рентгено-флуоресцентный микроанализы.