Použití rentgenometrických metod

V mineralogii se rentgenometrické metody uplatňují jednak jako metody umožňující poměrně snadnou identifikaci minerálů, jednak jako nástroj ke studiu jejich struktury.

Rentgenometrické metody nalezly neobyčejně široké uplatnění nejen v mineralogii, ale prakticky ve všech oborech vědy a techniky. Protože ze složení a struktury vyplývají fyzikální i chemické vlastnosti všech pevných látek, je strukturní analýza nezastupitelná v chemických či biochemických oborech i v laboratořích fyziků. Znalost vztahů mezi strukturou a vlastnostmi látek dovoluje předvídat vlastnosti materiálů s určitou strukturou a na základě toho syntetizovat materiály s žádanými vlastnostmi. Rentgenometrické metody se dále uplatňují při studiu zastoupení pevných látek ve směsích (kvantitativní fázová analýza), při určování textury polykrystalických materiálů, při studiu napětí a deformací v pevných látkách, měření tloušťky tenkých vrstev i jinde.

Rentgenometrické metody hrají ovšem mimořádně důležitou roli nejen v laboratořích, ale i při kontrole surovin, procesů a výrobků při těžbě a úpravě nerostných surovin, v metalurgii, keramickém průmyslu, elektrotechnice, v chemickém a farmaceutickém průmyslu, v medicíně a dokonce i v textilním průmyslu.

Identifikace minerálů

Identifikace minerálů, tzv. fázová analýza, patří k nejčastějším úkolům v mineralogické praxi. K tomuto účelu se používají výhradně práškové metody (hlavně Debye-Scherrerova, Guinierova a difraktometrická metoda), především pro jejich relativní jednoduchost. Na rozdíl od většiny ostatních analytických metod stačí k rentgenometrické identifikaci velmi malé množství materiálu. Navíc je možno vzorek studovat v pevném stavu, takže odpadá pracné a často komplikované rozpouštění. Další výhodou je snadné rozlišení polymorfních modifikací téže sloučeniny, které je jinými metodami nemožné nebo obtížné.

Vyhodnocením záznamu rentgenometrických metod získáme sadu mezirovinných vzdáleností d_hkl, které odpovídají jednotlivým osnovám mřížkových rovin hkl, a intenzit difrakce I_hkl na těchto osnovách. Tyto hodnoty jsou pro krystaly každé látky charakteristické, proto je lze použít k identifikaci neznámých krystalických látek. Principem identifikace je porovnání naměřených hodnot d_hkl a I_hkl s tabulkami, v nichž jsou soustředěna rentgenometrická data obrovského množství látek včetně minerálů (obr. 3.64). Podle určitého klíče lze v tabulkách najít záznam, který nejlépe odpovídá námi naměřeným hodnotám. Pokud si oba záznamy odpovídají, je studovaná látka určena. V dnešní době se k tomuto účelu běžně používají počítače, které provádějí vyhledávání automaticky.

Strukturní analýza

Podstatně složitějším úkolem než identifikace látek práškovými metodami je určení jejich struktury, tzv. strukturní analýza. Základním úkolem strukturní analýzy je určit polohy atomů v základní buňce krystalu, případně další parametry jeho struktury, jako je míra teplotního pohybu atomů, jejich substituce, případně vazebné efekty atd.

Předpokladem pro úspěšnou strukturní analýzu je samozřejmě znalost mřížkových parametrů krystalu a následně pokud možno přesné změření intenzit jednotlivých reflexí. Z jejich rozmístění a intenzit je možné v některých případech přímo určit prostorovou grupu krystalu, častěji se však výběr omezí pouze na několik možných prostorových grup, mezi nimiž je potom nutné rozhodovat v pozdějších fázích strukturní analýzy. Důležité je také získání maxima doplňkových informaci o krystalu. Mezi to patří hlavně chemické složení a také některé fyzikální vlastnosti. Z hustoty krystalu, jeho chemického složení a mřížkových parametrů lze určit počet vzorcových jednotek Z, některé fyzikální vlastnosti mohou zase napomoci při přesnějším určení prostorové grupy.

Rentgenové záření interaguje s elektrony v hmotě a proto je intenzita difraktovaného záření funkcí rozmístění elektronů (a tudíž atomů) v krystalu. Každé elektromagnetické vlnění (a tudíž i difraktované paprsky) lze popsat jeho amplitudou a fází. Kdybychom přesně znali amplitudy a fáze všech reflexí, dokázali bychom jednoznačně a přímočaře určit strukturu libovolného krystalu jednoduchým výpočtem. Bohužel, změřením intenzity reflexe získáváme pouze informaci o amplitudě záření, informace o fázi je ztracena. Toto je tzv. fázový problém strukturní analýzy. Způsobuje, že krystalovou strukturu není možné určit přímo, nýbrž pouze soustavou složitých nepřímých postupů. Situaci nadále komplikuje to, že nikdy nemůžeme změřit intenzity všech reflexí (kterých je nekonečno) a každou intenzitu měříme s určitou experimentální chybou. V konečném důsledku je strukturní analýza značně komplikovaným úkolem bez jednoznačného “návodu k použití”, vyžadujícím tvůrčí přístup a nemalé teoretické znalosti, ale také určitou dávku zkušenosti a intuice. Na druhou stranu právě to z ní dělá zajímavý obor dávající objevitelský pocit a skýtající mnohá překvapení.

další »»