1.9.1. Дифракционные методы

Для определения атомно-молекулярной структуры твердых тел используют дифракционные методы [6, 46]. Их классификация связана с видом используемого излучения. По ним методы дифракционного анализа структуры подразделяются на рентгенографию, электрографию и нейтронографию. Все эти методы основываются на том, что волны, проходя через кристаллическое вещество, испытывают дифракцию, т. к. кристаллическая решетка со средними межатомными расстояниями порядка  является для них дифракционной решеткой. Длина волны излучения при этом должна быть сравнима с этими межатомными расстояниями.

Рентгеновское излучение при прохождении через кристалл взаимодействует с электронными оболочками атомов, и дифракционная картина отражает распределение электронной плотности  в веществе, которую можно характеризовать как функцию координат .

Электронография использует электроны таких энергий, что они взаимодействуют не с электронными оболочками, а с электростатическим полем атома . Такое взаимодействие значительно сильнее, чем в случае рентгеновского излучения, поэтому интенсивность дифракции электронов примерно в 10⁶ раз больше, чем для рентгеновских лучей.

В методе нейтронографии нейтроны взаимодействуют с дельтообразным потенциалом ядерных сил . Интенсивность дифракции примерно в 100 раз меньше, чем для рентгеновского излучения. Однако метод обладает тем преимуществом, что с его  помощью легко выявляется различие атомов с близкими порядковыми номерами в таблице Менделеева, что трудно сделать методами рентгенографии и электронографии.

Конечный результат исследования перечисленными методами – установление вида распределения  либо  или  в элементарной ячейке. Максимумы этих функций соответствуют центрам равновесия атомов исследуемого вещества.

Геометрическая теория дифракции первоначально была развита для рентгеновских лучей, а затем перенесена на электроны и нейтроны.

В рентгенографии для исследования атомной структуры применяют рентгеновские лучи с длиной волны , в электронографии – электроны с длинами волн де Бройля , в нейтронографии – тепловые нейтроны с длиной волны около . В случае рентгено- и электронографии дифракционную картину можно получить на пленке (фото) или при помощи специальных счетчиков, а в нейтронографии – при помощи ионизационных счетчиков.

Дифракционная картина позволяет качественно судить о структурном состоянии твердого тела. Если дифракционная картина на пленке представляет собой набор точек, то твердое тело находится в состоянии монокристалла. Если она является набором концентрических колец (на плоскую пленку) – поликристалла. Если размытые (диффузные) кольца (гало), то тело находится в аморфном состоянии.

По распределению и величине интенсивности дифракционных максимумов можно рассчитать положения атомов, т. е. определить структуру. Рассмотрим эту возможность на примере рентгеновской дифракции.