پراش اشعه X – توضیح اصول کلی به زبان ساده

پراش اشعه X یا XRD یکی از مهم‌ترین روش‌های مشخصه‌یابی ساختارهای مختلف است که در علومی مانند فیزیک، شیمی، زمین‌شناسی، داروشناسی، مهندسی و علم مواد کاربرد گسترده‌ای دارد. در این روش از نتایج حاصل از برهم‌کنش اشعه X با اتم‌های ماده استفاده می‌شود تا ساختار بلوری و برخی از خواص ماده مطالعه و شناسایی شوند. در این مطلب از مجله فرادرس توضیح می‌دهیم اصول کلی حاکم بر پراش اشعه X چیست.

پراش اشعه X و قانون براگ

پراش اشعه X یا X-ray Diffraction زمانی رخ می‌دهد که اشعه X با یک آرایه‌ تناوبی از اتم‌ها در یک ماده بلورین برهم‌کنش داشته باشد. چنین ساختار تناوبی و منظمی از اتم‌ها در ماده، منجر به شکل‌گیری یک سری تداخل‌‌ سازنده‌‌ در زاویه‌های خاصی می‌شود. به این ترتیب الگویی از پراش اشعه X را خواهیم داشت. مهم‌ترین اصلی که فیزیک پراش اشعه X را توضیح می‌دهد، «قانون براگ» (Bragg’s Law) است:

$$n \lambda = 2 d \sin \theta$$

در این رابطه $$n$$ مرتبه پراش و همواره یک عدد صحیح است. $$\lambda$$ طول‌موج اشعه X استفاده شده است که باید بر حسب متر در این فرمول قرار داده شود. $$d$$ فاصله بین صفحات اتمی در ساختار بلوری و $$\theta$$ نصف زاویه پراکندگی است که بر حسب رادیان نوشته می‌شود. فرمول بالا برای توصیف یک تداخل سازنده کاملا مناسب است. این نوع تداخل زمانی رخ می‌دهد که اختلاف راه بین اشعه X پراکنده شده از اتم‌ها برابر شود با مضرب صحیحی از طول‌موج اشعه X. تصویر زیر چنین موقعیتی را نشان می‌دهد:

اگر با تابش اشعه X به ماده چنین فرآیندی رخ دهد، در این صورت می‌توانیم قله پراش را در زاویه پراش $$2 \theta$$ مشاهده کنیم. به این ترتیب همزمان با تغییرات زاویه پراش، الگوی پراش تشکیل می‌شود و می‌توانیم آن را برای بررسی و تحلیل بیشتر ذخیره کنیم. آنالیز الگوی پراش اطلاعات مهمی به ما می‌دهد. برای مثال با اندازه‌گیری و محاسبه فواصل بین صفحات شبکه می‌توانیم نوع ساختار بلوری ماده را تعیین کنیم.

چطور پراش اشعه X را با فرادرس بهتر یاد بگیریم؟

پس از اینکه در بخش قبل با کلیات پراش اشعه X آشنا شدیم، در این قسمت قصد داریم چند مورد از فیلم‌های آموزشی مرتبط با این موضوع را که در مجموعه فرادرس تهیه شده‌اند، به شما معرفی کنیم. با مشاهده این مجموعه می‌توانید با یکی از مفیدترین نرم‌افزارهای آنالیز پراش اشعه X یعنی XPert HighScore Plus آشنا شوید که در تحلیل نتایج شما بسیار کمک کننده خواهد بود:

1. فیلم آموزش کریستالوگرافی یا بلورشناسی فرادرس
2. فیلم آموزش رایگان طیف‌ سنجی اشعه ایکس چیست؟ + کاربردها و عملکرد فرادرس
3. فیلم آموزش آنالیز پراش اشعه ایکس XRD با نرم افزار XPert HighScore Plus – مقدماتی فرادرس
4. فیلم آموزش آنالیز کیفی و کمی پراش اشعه ایکس با نرم افزار Xpert Highscore plus – تکمیلی فرادرس

تکنیک‌ های مختلف پراش اشعه X

با توجه به کاربرد گستره پراش اشعه X به منظور شناسایی ساختار مواد مختلف، تکنیک‌های متفاوتی در زمینه شیوه انجام آن توسعه داده شده است. انواع تکنیک‌های XRD را در تصویر زیر ملاحظه می‌کنید:

اما پیش از معرفی هر کدام از این روش‌ها، پیشنهاد می‌کنیم اگر می‌خواهید در مورد اشعه X، منابع و کاربردهای آن بیشتر بدانید، مطلب زیر از مجله فرادرس را حتما مطالعه کنید که لینک آن در ادامه برای شما قرار داده شده است:

پراش اشعه X پودری (PXRD)

پراش اشعه X پودری یکی از پرکاربردترین تکنیک‌های XRD است که برای نمونه‌های پلی‌کریستالی و پودری مناسب است. اگر با تفاوت پلی‌کریستال‌ها و تک‌کریستال‌ها آشنا باشید، می‌دانید که یک پلی‌کریستال مجموعه‌ای از چندین تک‌کریستال است که هر کدام جهت‌گیری تصادفی و متفاوتی با دیگری دارد. در این زمینه می‌توانید فیلم آموزش رایگان طیف‌ سنجی اشعه ایکس چیست؟ + کاربردها و عملکرد فرادرس را نیز مشاهده کنید که لینک آن در ادامه برای شما قرار داده شده است:

فیلم طیف‌ سنجی اشعه ایکس چیست؟ + کاربردها و عملکرد (فیلم آموزش رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

شکل زیر تفاوت جامدات آمورف یا بی‌شکل، پلی‌کریستال و تک‌کریستال را به‌خوبی نمایش می‌دهد. در جامدات آمورف ساختار منظم و تناوبی دیده نمی‌شود، در حالی که برای جامدات بلورین نظم واضحی در کنار هم قرار گرفتن اتم‌ها وجود دارد.

پس پراش اشعه X پودری در مورد نمونه‌های پلی‌کریستالی بکار می‌رود. در این شرایط با توجه به اینکه جهت‌گیری هر کدام از کریستال‌ها در یک نمونه ‌پلی‌کریستال با دیگری متفاوت است، پرتوهای پراشیده شده در جهت‌های مختلفی مشاهده می‌شوند و در نتیجه الگویی را تولید می‌کنند که برای شناسایی فاز و تعیین پارامترهای شبکه بلوری بسیار مفید است.

پراش اشعه X تک‌کریستال (SCXRD)

دومین تکنیکی که برای انجام آنالیز اشعه X معرفی می‌کنیم، روش SCXRD است. این تکنیک برای تعیین جزئیات ساختار اتمی جامدات تک‌کریستال بکار می‌رود. همچنین یکی از مهم‌ترین کاربردهای این روش در مطالعه و بررسی آرایه‌های سه بعدی از اتم‌ها در مولکول‌ها است. برای نمونه ترکیبات آلی یا ماکرومولکول‌‌های زیستی مانند پروتئین‌ها را با استفاده از این تکنیک می‌توانیم بررسی کنیم.

پراش اشعه X با وضوح بالا (HRXRD)

پراش اشعه X با وضوح بالا برای مطالعه و بررسی ویژگی‌‌های موادی با جزئیات ساختاری در مقیاس بسیار ریزتر، مانند لایه‌های نازک (Thin Films)‌ یا لایه‌هایی با رشد هم‌بافته (Epitaxial Layers) بکار ‌می‌رود. در این تکنیک پراش اشعه X اطلاعات مفیدی در زمینه مچ‌نشدگی‌های شبکه، کرنش‌های درون‌شبکه‌ای و نقایص ساختاری به‌دست می‌دهد. این اطلاعات در مطالعه و درک ویژگی‌های نیمه‌رساناها و نانوساختارها بسیار مهم هستند.

فیلم آموزش آنالیز پراش اشعه ایکس XRD با نرم افزار XPert HighScore Plus – مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

پراش اشعه ایکس Grazing-incidence

پراش اشعه ایکس Grazing-incidence یا GIXRD برای مطالعه لایه‌ها و سطوح بکار می‌رود و تنظیمات آن به گونه‌ای است که اشعه X با زاویه خیلی کمی نسبت به نمونه به آن برخورد می‌کند. این روش برای تحلیل میزان پوشش، سطوح لایه‌ها و نانومواد به‌کار می‌رود. در حقیقت هر زمان که ویژگی‌های سطح در مقایسه با حجم (Bulk) بیشتر برای ما مهم باشند، از این تکنیک استفاده می‌کنیم.

پراش اشعه X پودری چه اطلاعاتی به ما می‌دهد؟

در آخرین بخش این مطلب از مجله فرادرس می‌خواهیم اطلاعات به‌دست آمده از کاربرد تکنیک پودری پراش اشعه X را به جهت کاربرد بیشتر آن در مقایسه با سایر تکنیک‌ها، توضیح دهیم. معمولا نتایج حاصل از آنالیز پودری اشعه X در قالب نموداری به شما داده می‌شود که محور قائم آن شدت اشعه X و محور افقی آن معادل با زاویه پراش ($$2 \theta$$) است. چنین نموداری در استخراج اطلاعات زیر به ما کمک می‌کند:

• آنالیز کیفی
• آنالیز کمی
• پارامترهای سلول واحد شبکه
• ابعاد کریستالیت‌ها و مقدار کرنش‌های شبکه

در موادی که دارای فازهای مختلف هستند، استفاده از روش PXRD به ما کمک می‌کند تا مقادیر نسبی فازهای مختلف ماده در نمونه مورد بررسی خود را بر اساس شدت و مساحت پیک‌های نمودار به‌دست آمده مشخص کنیم. چنین تحلیلی، آنالیز کیفی است. اما در آنالیز کمی PXRD با توجه به اینکه هر ماده بلورین اصطلاحا دارای یک اثر انگشت منحصر به‌ فرد است، با در دست داشتن مشخصات ساختار دقیق مواد مختلف می‌توانیم از مقایسه نمودار با این مشخصات، فاز ماده را تعیین کنیم.

دیگر اطلاعاتی که می‌توانیم از این آنالیز استخراج کنیم، ابعاد سلول واحد ماده است که جزء مهم‌ترین پارامترهای موردنیاز برای مطالعه مواد در شرایط اعمال دما و فشار محسوب می‌شود. همچنین ابعاد کریستالیت‌های ماده یکی دیگر از اطلاعات حاصل از PXRD است که با توجه به میزان پهن‌شدگی پیک‌ها قابل محاسبه است. تصویری که ملاحظه می‌کنید، یک نمونه از نتایج PXRD است که اطلاعات قابل استخراج آن در شکل مشخص شده است: