حيود الأشعّة السينيّة (XRD)
مقدمة:
حيود الأشعّة السينيّة (XRD) هي إحدى من أكثر التقنيات استخدامًا في مجال تحديد المركبات والمراحل الموجودة في المواد. في تحليل حيود الأشعة السينية تتفاعل الأشعة السينية ذات طول الموجة القصير جدًا مع المادة على مسافات ذرية، مما يسمح بدراسة البنى الذرية باستخدام هذه التقنية. من خلال دراسة طيف تحليل حيود الأشعة السينية ، المعروف باسم نمط انعكاس أشعة اكس ، يمكن التحقق من بنية البلورات، وحجم حبيباتها، وتباعد ذراتها الذرية، ومعامل شبكتها، والعيوب البلورية.
مبدأ التحليل
في تحليل حيود الأشعة السينية (X-Ray Diffraction - XRD)، تُعرض العينة لأشعة سينية أحادية اللون. نتيجة لتفاعل الأشعة السينية مع العينة، تنبعث أشعة سينية من العينة تُجمع وتُحلل بواسطة جهاز كاشف. يدور كل من مصدر الأشعة السينية والكاشف، مما يسمح للأشعة بالاصطدام بالعينة من زوايا مختلفة. تُنتج نتائج الجهاز نمطًا يتضمن مجموعة من القمم، وشكل هذه القمم يرتبط بالتركيب الذري للعينة.
تتكون معظم المواد من بلورات تتكون من ترتيب منتظم للذرات. كل ذرة تتألف من نواة وسحابة من الإلكترونات حولها. يبدأ مفهوم حيود الأشعة السينية من هذه الأبعاد. الأشعة السينية هي أشعة عالية الطاقة ذات طول موجي محدد، ويكون حجم هذا الطول الموجي قريبًا من المسافة بين الذرات في البلورة. نتيجةً لهذا القرب، تحدث تداخلات وظواهر معينة. عندما تصطدم الأشعة السينية بالمادة، يتم امتصاص طاقة الأشعة بواسطة الذرات. إذا كانت الطاقة الممتصة غير كافية لإزالة الإلكترون من الذرة، فإنها تُشع الطاقة الممتصة على شكل أشعة سينية جديدة ولكن بطاقة مشابهة للأشعة الواردة. التداخل الناتج عن تفاعل الأشعة السينية المنبعثة مع بعضها يعتمد على تزامنها؛ فإذا كانت الأشعة متزامنة، فإنها تعزز بعضها البعض، وهو ما يُعرف بالتداخل البناء. أما إذا لم يكن الأمر كذلك، فيحدث التداخل المدمر.
ظاهرة الحيود تشير إلى الأماكن التي يحدث فيها التداخل البناء. وبالتالي، يحدث الحيود أو ارتداد الأشعة السينية في زوايا معينة تعتمد على التركيب البلوري للمادة. القمم في الرسم البياني الناتج عن جهاز التحليل تمثل مواقع هذه الزوايا. تشبه هذه الأنماط بصمة الإصبع، حيث تشير إلى التركيب البلوري الفريد لكل مادة.
يتكون جهاز XRD من ثلاثة أجزاء رئيسية:
مصباح الأشعة السينية:
ينتج شعاع سينية أحادي الطيف باستخدام مصباح فراغ. يتم تسريع الإلكترونات نحو ورقة معدنية (عادةً نحاس)، مما يؤدي إلى إنتاج أشعة سينية مميزة وأشعة سينية بيضاء. يتم تمرير الشعاع الناتج عبر فلتر يسمح بمرور الأشعة السينية ذات الطول الموجي المطلوب.
حامل العينة:
يحمل العينات المسحوقة أو متعددة البلورات، ويمكن أن يدور حول محوره. بعض الحوامل تكون مزودة بسخانات لتسخين العينة قبل التحليل.
الكاشف:
يتكون من لوحة شبه موصلة حساسة للأشعة السينية. عند اصطدام الأشعة السينية، يتم توليد تيار يُقاس ويُسجل كدالة للزمن لتحديد شدة الأشعة السينية عند زوايا مختلفة.
فائدة التحليل
تحديد البلورية:
القمم الأطول والأضيق تشير إلى مادة أكثر بلورية، بينما القمم الأوسع والأقصر تشير إلى مادة غير بلورية.
تحديد نسب الطور:
يتم حساب نسبة القمة الأطول بين الطورين باستخدام مادة مرجعية للحصول على تقديرات دقيقة.
قياس حجم البلورات:
يتم ذلك باستخدام معادلات مثل ديباي-شرر ويليامسون-هال.
فحص انزياح القمم:
يُستخدم لتحديد الاستبدالات في النظام البلوري.
تشخيص الفلزات والمعادن:
يُستخدم XRD لتحديد نوع المعادن الموجودة في عينات معينة، مما يساعد في فهم التركيب الجيولوجي.
دراسة بنية الفولاذ:
يُستخدم لتحليل نوع الفاز وحجم الحبيبات لكل فاز في الفولاذ، مما يساهم في تحسين خصائصه الميكانيكية.
دراسة هياكل سبائك غير الحديدية:
يُمكن من تحليل التركيب البلوري للسبائك غير الحديدية وتحديد الفازات المختلفة فيها.
قياس المسافة بين الصفائح البلورية:
يُستخدم XRD لقياس المسافات بين الصفائح البلورية في المواد، مما يساعد في فهم التركيب البلوري.
تحليل الطبقات الرقيقة:
يُستخدم لفحص الفازات في الطبقات الرقيقة، مثل تلك المستخدمة في تطبيقات الإلكترونيات والطلاءات.
تحديد المسافات بين الصفائح في المواد ذات التركيب الورقي:
يُستخدم لتحديد المسافات بين الصفائح في مواد مثل الجرافين، أو أكسيد الجرافين، أو الطين، مما يوفر معلومات قيمة حول التركيب والخصائص.
العينات التي يمكن قياسها
المواد البلورية:
تشمل المعادن، المعادن الأساسية، والسبائك، حيث يتم تحليل التركيب البلوري وتحديد الفازات.
المواد غير البلورية:
مثل المواد الزجاجية والمواد غير البلورية التي يمكن فحصها لتحديد مدى بلوريتها.
السبائك غير الحديدية:
مثل الألمنيوم، والنحاس، والزنك، حيث يمكن تحديد الهياكل البلورية والفازات المختلفة.
الطبقات الرقيقة:
تستخدم XRD لدراسة الطبقات الرقيقة في التطبيقات الإلكترونية والطلاءات.
العينات المسحوقة:
يمكن قياس المواد المسحوقة بسهولة، حيث يتم توزيع الجزيئات بشكل متجانس لتحسين النتائج.
عينات المواد المركبة:
يمكن تحليل المواد المركبة والمركبات الكيميائية لتحديد التركيب البلوري.
شروط القياس باستخدام XRD
تحضير العينة:
يجب أن تكون العينة متجانسة ومطحونة بشكل جيد (في حالة المواد المسحوقة) لضمان نتائج دقيقة.
حجم العينة:
يجب أن تكون العينة بحجم مناسب وفقًا لمتطلبات الجهاز، عادةً بسمك رقيق في حالة الطبقات الرقيقة. أما إذه كانت العينة باودر فإنه يلزم مقدار كافي بحدود0.2g
ملاحظة : لا يمكن قياس العينات السائلة في XRD إلا إذا تمّ ترسيبها على شريحة زجاجية أو تمّ تبخير المذيب منها
تحليل النتائج
تفسير الرسم البياني:
يتم تمثيل البيانات الناتجة عن XRD عادةً في شكل رسم بياني، حيث يمثل المحور الأفقي الزاوية (2θ) والمحور العمودي يمثل شدة الأشعة السينية. البحث عن القمم في الرسم البياني هو الخطوة الأولى.
تحديد مواقع القمم:
تحديد مواقع القمم في الرسم البياني يساعد في فهم التركيب البلوري. كل قمة تمثل تشتت الأشعة عند زاوية معينة، والتي ترتبط بالفواصل بين الطبقات البلورية.
إستخدام قاعدة براغ :
يمكن استخدام معادلة براغ لحساب المسافات بين الصفائح البلورية (d) بناءً على الزوايا (Θ) وأطوال الموجات المستخدمة.
تحديد الأطوار:
مقارنة مواقع القمم مع قواعد بيانات المواد البلورية (PDF - Powder Diffraction File) تساعد في تحديد الفازات الموجودة في العينة.
تحليل عرض القمم:
عرض القمم يمكن أن يعطي معلومات عن حجم البلورات. يمكن استخدام معادلات مثل معادلة ويليامسون-هال أو معادلة ديباي-شرر لحساب حجم البلورات.
تقدير البلورية:
يمكن تحليل شكل القمم وارتفاعها لتقدير نسبة البلورية في العينة. كلما كانت القمم أطول وأضيق، كانت المادة أكثر بلورية.
تحديد النسب المئوية للفازات:
يمكن حساب النسب المئوية للفازات المختلفة في النظام من خلال مقارنة ارتفاع القمم الرئيسية لكل فازة.
تحليل الشوائب:
البحث عن قمم إضافية غير متوقعة يمكن أن يشير إلى وجود شوائب أو فازات غير مرغوب فيها في العينة.
تحليل نتائج XRD هو عملية متعددة الخطوات تتطلب دقة وفهمًا عميقًا للبيانات. باستخدام هذه الخطوات، يمكن للباحثين الحصول على رؤى قيمة حول التركيب البلوري والخصائص الفيزيائية للمواد المدروسة.