logo

logo

logo

logo

logo

الأشعة السينية (تقنيات-)

اشعه سينيه (تقنيات)

X-ray technique - Techniques des rayons X

 الأشعة السينية

الأشعة السينية (تقنيات ـ)

 تقنيات الانعراج

 تقنيات التبعثر

 

 

تقنيات الأشعة السينية X-ray techniques هي عائلة من التقنيات التحليلية غير المخربة للعينات المختبرة، وهي تعطي معلومات عن البنية البلورية والتركيب الكيميائي والخواص الفيزيائية للمواد والطبقات الرقيقة. والأشعة السينية أو أشعة X (X-ray) هي أشعة كهرطيسية بطول موجة يراوح من 1 إلى 100 أنغستروم؛ اكتشفها العالم الألماني وليام رونتغن Wilhelm Conrad Röntgen عام 1896 في جامعة فورتسبورغ، ودرس كثيراً من خصائصها، ففتح اكتشافه هذا آفاقاً مهمة في مجالي الطب والفيزياء ونال جائزة نوبل في الفيزياء عام 1901.

تستعمل الأشعة السينية في عديد من المجالات المختلفة: ففي المجال الطبي تعطي صوراً واضحة للعظام التي تظهر باللون الأبيض، في حين يظهر الهواء والأنسجة باللون الأسود، وذلك اعتماداً على اختلاف امتصاص العظام للأشعة السينية عن امتصاص الأنسجة.

وفي الصناعة استعملت لقياس سمك المواد والكشف عن عيوبها من تشققات وغيرها، ومراقبة الجودة والنوعية في صناعة السبائك المعدنية والقطع المستخدمة في السيارات والطائرات وغيرها.

أما في علم المواد فيستفاد من انعراج الأشعة السينية لمعرفة وجود تناظر معين في الأجسام الصلبة البلورية، وكانت تلك بداية انطلاقة جبارة في دراسة خواص الأجسام الصلبة والتركيب البلوري؛ ومعرفة التركيب الذري العنصري للمواد.

وفي مجال الأمن تستعمل لمراقبة حقائب المسافرين في المطارات والموانئ بحثاً عن أسلحة أو قنابل.

وتستعمل الأشعة السينية في مجال الفن لتعرّف أساليب الرسامين والتمييز بين اللوحات الحقيقية واللوحات المزيَّفة.

تعتمد هذه التقنيات على مراقبة تبعثر حزمة من الأشعة السينية الساقطة على العينة كتابع لزاوية الورود والتبعثر والاستقطاب وطول الموجة أو الطاقة. ويمكن التمييز بين نوعين من هذه التقنيات: تقنيات تتعلق بانعراج diffraction الأشعة السينية، وأخرى تتعلق بتبعثرها scattering.

تقنيات الانعراج

تؤدي الأشعة السينية دوراً بارزاً في سبر أعماق البلورات حيث تصبح الذرات مراكز تبعثر للأشعة السينية، ومع أن الذرات تُبعثر في جميع الاتجاهات لكن بعض الاتجاهات سيكون للحزم المبعثرة وفقها فرق طور مساوياً عدداً صحيحاً من الأطوال الموجية بحيث يعزز بعضها بعضاً لتشكيل الحزم المنعرجة ذات الشدة العالية. وغالباً ما تعيّن هذه الاتجاهات بما يشبه الانعراج في شبكة انعراج (أو محزوز) ضوئية فتعامل مجموعة من المستويات الذرية في الشبكة البلورية معاملة مستويات عاكسة للأشعة؛ البعد بين كل مستويين متتالين (d) فيصبح شرط حدوث الانعراج في اتجاه معين وفق ما يعرف بقانون براغ (العلاقة 1):

الوصف: 14440.jpg

حيث λ : طول موجة الأشعة السينية، θ زاوية الورود على مجموعة المستويات (وتساوي زاوية الانعكاس)، n عدد صحيح يمثل مرتبة الانعراج. وقانون براغ هو من أهم القوانين المستخدمة في فهم معطيات انعراج الأشعة السينية.

ومن الجدير بالذكر أن قانون براغ يطبَّق على مراكز التبعثر المكوَّنة من أي توزعٍ منتظم للكثافة الإلكترونية: ذرات أو جزيئات أو مجموعة من الجزيئات (مثل البوليمرات، والغروانيات، والبروتينات والڤيروسات).

يعطي انعراج الأشعة السينية البنية الذرية أو الجزيئية الكاملة للمواد التي تتصف بانتظام كافٍ، ويعتمد على مراقبة شدة حزمة الأشعة السينية المتبعثرة عن الغمامة الإلكترونية أو الجزيئات وتوزع هذه الشدة. ويمكن تلخيص تقنيات انعراج الأشعة السينية كالتالي:

1 - انعراج الأشعة السينية عن البلورات الأحادية single-crystal X-ray diffraction : هي تقنية تستخدم لإيجاد البنية الكاملة للمواد البلورية، فتكون العينة المدروسة بلورة وحيدة كما يشير اسمها، وتطبق على بلورات الأجسام غير العضوية البسيطة والجزيئات الضخمة مثل البروتينات.

انعراج الأشعة السينية عن البلورة

2 - انعراج الأشعة السينية عن المسحوق X-ray powder diffraction: تقنية تستخدم لتوصيف البنية البلورية لعينة على شكل مسحوق أو حبيبات بلورية متراصة، فتعيّن حجم الحبيبات البلورية، والتوجه في العينات الصلبة المسحوقة أو متعددة البلورات. يستخدم الانعراج عن المسحوق عموماً لتحديد المواد المجهولة؛ بمقارنة معطيات الانعراج بقاعدة البيانات الموجودة في المركز الدولي لبيانات الانعراج. والانعراج عن المسحوق هو أيضاً طريقة لتحديد الإجهادات في المواد البلورية. ويمكن قياس متوسط أحجام الحبيبات البلورية كتابع لتوسع قمم انعراج الأشعة السينية بحسب علاقة شيرر Scherrer.

3 - انعراج الأشعة السينية بورود مماسي grazing incidence X-ray diffraction، والانعراج عن فلم رقيق: تستعمل التقنيتان في توصيف البنية البلورية والتوجه لفلم رقيق، ويُجعل الورود بزوايا صغيرة حتى تخترق الأشعة سمكاً كبيراً من الفلم العينة.

4 - انعراج الأشعة السينية عالية الميز high- resolution X-ray diffraction: تستخدم لتوصيف السماكة، والبنية البلورية، والإجهاد في الفلم الرقيق. ويمكّن تحليل الرسم القطبي للأشعة السينية من تحليل توزع التوجهات البلورية داخل العينة الرقيقة البلورية وتحديده، فيدرس بالتفصيل بنية كل قمة من قمم الانعراج.

5 - تحليل المنحني المترنح X-ray rocking curve analysis يستخدم لتحديد حجم الحبيبات البلورية والانتشار الفسيفسائي في المواد البلورية، وذلك بتغيير الزاوية المقابلة لزاوية انعراج معينة تغييرات طفيفة حولها ومتابعة تغيرات شدة القمة مقابل هذه التغيرات.

تقنيات التبعثر

أ- -تقنيات التبعثر المرن

يمكن دراسة المواد التي لا تتمتع بمدى واسع من الترتيب والانتظام (مواد شبه بلورية) باستعمال طرائق تعتمد على التبعثر المرن للأشعة السينية وحيدة اللون والتي لا يتغير تواترها عند تبعثرها، وترتكز على حسابات إحصائية نظرية. ويمكن تصنيفها كما يلي:

- تبعثر الأشعة السينية بزاوية صغيرة Small - angle X-ray scattering (SAXS) ويعطي البنية بمجال النانومتر إلى المكرومتر، وذلك بقياس شدة التبعثر عند زوايا تبعثر 2θ قريبة من 0°.

- انعكاسية الأشعة السينية X-ray reflectometry : وهي تقنية تحليلية لتحديد ثخانة فلم ذي طبقة وحيدة أو عدة طبقات وكذلك خشونته وكثافته، وتعتمد قياس شدة الأشعة المرتدة بزاوية تساوي زاوية ورودها.

- تبعثر الأشعة السينية بزاوية كبيرة wide angel X-ray scattering (WAXS) وهي تقنية تركز على زوايا التبعثر 2θ أكبر من 5o.

- يمكن أيضاً تحديد المحيط الموضعي للذرات في البنى اللابلورية بوساطة مطيافية امتصاص الأشعة السينيةX-ray absorption spectroscopy (XAS) المتضمنة تقنيتين توسِّعا دراسة أحد خطوط الامتصاص، أو عند حوافها على الترتيب extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) وأيضاً X-ray absorption near edge structure (XANES).

- التفلور بالأشعة السينية X-ray fluorescence (XRF): وهي تقنية تستخدم للتحليل العنصري حيث تستعمل خطوط إصدار الأشعة السينية الثانوية المميزة لمكونات المادة العنصرية الناتجة من إثارة المادة بحزمة أشعة سينية أولية ذات طول موجي مختلف.

ب- تقنيات التبعثر غير المرن

تستفيد هذه التقنيات من تغير طول موجة الأشعة السينية المبعثرة عن طول موجة الأشعة الأصلية وطاقتها، فتدرس زاوية تبعثر الأشعة السينية المصطدمة اصطداماً غير مرن وطاقتها، وتستخلص منها معلومات عن البنية العصابية الإلكترونية electronic band structure للمواد. وتختلف التقنيات المستعملة باختلاف الوسيط المستعمل للدلالة على ذلك، وغالباً ما توجد دراسات نظرية سابقة لذلك فيتحقق منها. تشمل هذه التقنيات:

- تبعثر كمبتون Compton scattering ويتم التركيز في هذه التقنية على تغير طول الموجة.

- تبعثر رامان للأشعة السينية X-ray Raman scattering الذي يشبه تبعثر رامان الضوئي، ولكن لجزيئات أشد ارتباطاً مما هي عليه في تبعثر رامان الضوئي.

- تبعثر الأشعة السينية التجاوبية غير المرنة resonant inelastic X-ray scattering (RIXS).

 

موفق رقية

 

 

مراجع للاستزادة:

-Jean-Luc Martin, Amand George, Traité des matériaux: Tome 3, Caractérisation expérimentale des matériaux: analyse par rayons X, électrons et neutrons, PPUR Presses Polytechniques, 1998.

 

 

 

 


التصنيف : الكيمياء والفيزياء
النوع : الكيمياء والفيزياء
المجلد: المجلد الثاني
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 554
الكل : 27462601
اليوم : 72638