1.9 Курстың саясаты мен процедурасы

Пәннің саясаты мен процедурасы оқытушылардың стденттерден барлық аудиториялық СОӨЖ сабақтарға міндетті түрде қатысуын талап етеді. Сабаққа қатыспаған күндерін әдебиеттермен жұмыс істей отырып өз бетінше тапсырмаларды орындап, оны тьюторға қайта тапсыру тәртібін талап етеді.

2 Негізгі таратылатын материалдар мазмұны

2.1 Курстың тақырыптық жоспары

Тақырып атауы	Дәріс	Зертханалық сабақ		СОӨЖ	СӨЖ
1	2	3	4		5
1. Кіріспе. Металдардың құрылысын зерттеу әдiстерi	2	1	3		3
2. Термиялық талдау	2	1	3		3
3. Зерттеудің физикалық әдістері. дістердің жалпы классификациясы және сипаттамасы.	2	1	3		3
4. Дифракциялық әдістер. Құрылымдық кристал-лографияның негіздері.	2	1	3		3
5. Рентген сәулелерінің физикасы	2	1	3		3
6. Рентгендік техника. Рентген құрылымдық талдаудың әдістері	2	1	3		3
7. Спектрлік әдістер. Атомды спектрлік талдау.	2	1	3		3
8. Молекулалық спектрлік талдау	2	1	3		3
9. Масс – спектрлік талдау. Молекулалар және атомдардың ионизациясы. Ионизация әдістері.	2	1	3		3
10. Резонансты әдістер. АМР және ЭМР әдістері.	2	1	3		3
11. Электронды - оптикалық әдістер. Негізгі электронды микроскоп. Электронды микроскоптың түрлері.	2	1	3		3
12. Сканирлеуші зонтты микроскоп.	2	1	3		3
13. Материалдардың механикалық қасиеттерін анықтаудың тәсілдері.	2	1	3		3
14. Механикалық қасиетті статикалық сынау.	2	1	3		3
15. Механикалық қасиетті динамикалық сынау	2	1	3		3
Барлығы (сағат)	30	15	45		45

2.2 Дәрістік сабақтар конспекті

Дәріс №1. Кіріспе. металдардың құрылысын зерттеу әдiстерi. Металлогрфиялық талдау макро- және микроталдау болып екi түрге бөлiнедi.

Металдар мен қорытпалардың iшкi құрылымын жай көзбен қарап немесе 30 есеге дейiн ұлғайтып қарап зерттеу әдiсiн макроталдау деп атайды.

Құрылымның қарусыз көзбен не лупаның көмегiмен аз ғана үлкейту арқылы көрiнiп, барлық бөлшектiң көлемi бойынша байқалатыны болуы мүмкiн бiртектi емес құрылым макроқұрылым деп аталады. Макроқұрылымдардың арнаулы үлгiлерде (жалтыратылған және қышқылмен өңделген) зерттей отырып, тұтастықтың бұзылуының – жарықтарды, кiшiрейген қуысты, газ кеуектерiн т.б., химиялық әртектiлiктiң (ликвацияны), қысыммен өңдеуден болатын әртектiлiктiң (ағыс фигурасын) сан алуын түрлерiн табуға болады.

Макроқұрылымды зерттеу - өзiнiң қарапайымдылығына қарамастан, материалдарды зерттеудiң өте бағалы және қажеттi тәсiлi. Металдың макроқұрылымы онда кесiп алынған макрошлиф немесе металдың сынығы бойынша зерттеледi. Макрошлифттiң құрылымын анықтау үшiн онын бетiн әр түрлi айқындағыш химиялық реактивтермен өңдейдi.

Материалдардың көпшiлiгi мөлшерi бiрнеше ангстремге (10^-8см) жететiн ұсақ кристалдардан (түйiршiктерден) тұрады. Металлографиялық микроскоп арқылы металдың құрылымын 50-ден 1500 есеге дейiн ұлғайтуға болады. Металдың микроқұрылымын зерттеу үшiн биiктiгi 15мм, диаметрi 10-15мм шамасындағы цилиндр немесе қыры 100мм текше формалы үлгi кесiп алынып, оның бiр бетi өңдеудiң әр түрлi әдiстерiн қолдану арқылы айна сияқты жарқырағанша өңделедi. Осылайша өңделген үлгi микрошлиф деп аталады.

Микрошлифтi микроскоппен зерттеу арқылы металдың құрамындағы металл емес қоспаларды (графит, сульфид, тотық т.б.) микрошлифтiң сапасын анықтайды. Микрошлифтiң құрылымдық құраушыларын анықтау үшiн оның тегiстелген бетiн химиялық реактивтермен өңдейдi, нәтижеде химиялық реактив металдың құрылымдық құраушыларының әрқайсысымен түрлi дәрежеде әрекеттесiп, оларды айқындайды. Химиялық реактив ретiнде әр түрлi қышқылдардың қоспасы, сiлтiлер мен қышқылдардың спирттегi немесе судағы ерiтiндiлерi қолданылады. Микроқұрылымдық талдауда 1000000 есеге дейiн ұлғайтатын электрондық микроскоптар да қолданылады. Казiргi кезде зерттеу жұмыстарында электрондық микроскопты қолдану зерттеу мүмкiндiгiн анағұрлым арттырып отыр.

Микроқұрылымды оптикалық (10^-5см-ге дейiн) немесе электрондық (410^-8см-ге дейiн) микроскоптардың көмегiмен ғана байқауға болады.

Микроскопиялық тәсiл түйiршiктердiң мөлшерi мен формасын, табиғаты әр түрлi түйiршiктердiң болуын және олардың тарала орналасуы мен салыстырмалы көлемдiк санын, шлакты қоспалар мен микроформасын, кристалдардың бағыталуын, арнаулы кристаллографилық белгiлердiң (қос сызық, сырғанау сызығы т.б.) болуын анықтауғы мүмкiндiк бередi. Толық көрсетiлмеген осы шамалы тiзiмнiң өзiнен микроскоптың көмегiмен алынатын деректердiң молдығы сипатталады.

Металдардың iшкi құрылымы термиялық талдау, дилатометрия, электр, магнит, ультрадыбыс әдiстерімен де зерттеледi.

Темiрдiң аллотропиялық өзгерiс температураларын оның көлемiнiң немесе ұзындығының өзгеруiне (дилатометрия әдiсi) немесе кедергiсiнiң өзгерiсiне (электр әдiсi) қарап анықтауға болады. Металдың iшкi құрылымының өзгерiсi оның магниттiк қасиетiн де өзгертедi. Олай болса, металдың магниттiк қасиетiнiң өзгеруiне қарай iшкi құрылымының өзгеруiн бiлуге болады. Бұл әдiстi металдардың iшкi құрылыммын зерттеудiң магниттiк әдiсi деп атайды.

Металдарды сынаудың магниттiк әдiсi (магниттiк дефектоскопия) оларды iшiндегi қуыстар, металл емес заттар мен сызаттарды анықтауға мүмкiндiк бередi.

Метадардың iшкi құрылымы ультрадыбыс әдiсiмен де зерттеледi. Бұл әдiс бойынша металл құрылымының түйiршiктерiнiң көлемi мен ондағы қуыс, сызат зерттеледі. Металл емес заттардың болуы сияқты кемiстiктердi анықтауға болады.

Кристалдардағы атомдардың және атомдардағы электрондардың таралу деңгейiндегi нәзiк құрылым дифракциялық тәсiлдермен (рентгенография, электроннография, нейтронография) зерттеледi. Кристалл атомдарының қысқа толқынды (10^-8-10^-10см) рентген сәулерiмен (немесе электрондар, нейтрондар толқындарымен) өзара әрекетке түсуі кезiнде алынған дифракциялық көрiнiстi талдай отырып, кристалл және аморф денелердiң атомдық құрылысы жайлы өте мол информация алуға болады. Рентгенқұрылымдық талдау арқылы металдардың атомдық құрылымын, кристалл торларының түрi мен параметрлерiн, фазалық құрамы мен сан алуан iшкi кемiстiктерiн анықтауға болады. Рентген дефектоскопы арқылы құйма және пiсiру жапсарларының әр түрлi кемiстiктерi анықталады.

Бұл тәсiлдер: кристалдың атом ұяшығының формасы мен мөлшерiн; кристалдың ұяшығы қанша атомнан тұратындығын және олардың қайда орналасқандығын; атомдардың орналасуындағы бұзылушылықтардың алуан түрiн; кристалдағы жекелеген атомдардың магниттiк сәттерiнiң бағытын атомдардың электрондық тығыздығының бөлiнуiн және т.б. атомдық құрылым мәселелерiн анықтауға мүмкiндiк бередi.

Жоғары да айтылғандар қазiргi заманғы эксперименттiк техниканың материалдар құрылымын кез келген деңгейде зерттеуге мүмкiндiк беретiндiгiн көрсетедi.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5. Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №2. Термиялық талдау

Термиялық талдау - затта температураны бағдарламалы өзгерту шартымен өтетін физика химиялық және химиялық процестерді зертгеудің тәсілі. Талданылатын заттан бөлініп алынған үлгіні қыздырған кезде әр түрлі физикалық, физика-химиялық процестер жүруімен қатар жылудың сіңірілуі немесе бөлінуі, үлгі салмағынын өзгеруі мүмкін. Үлгіні бір қалыпты қыздырғандагы температураны өлшеп, оның эталонның температурасымен салыстырып, туындаған экзо- не эндотермиялық эффектілерді анықтайтын тэуелділікті алады. Бұл әдісті дифференциалдық термиялық талдау деп атайды. Үлгінің массасын температураға тәуелді функция ретінде белгілей отырып, белгілі физикалық, және химиялық процестерді қалыптастыруга мүмкіндік беретін термогравиметрлік қисықты алады. Мұны термогравіметрлік талдау әдісі дейді. Мұндай қисықтың дифференциалды жазылуын дифференциалды термогравиметрлік талдауға жатқызады. Таза қосылыстарды осы әдіс бойынша талдаған кезде, ол зерттелінетін үлгіні жеткілікті сипаттайтын нәтижелерді береді. Жекеленген қоспаларды арнаулы тәсілдер бойынша талдағанда, оларды құрамындагы жай заттарға боліп, тазартуға болады.

Шоқтықтын пішіні мен орналасуына жылудың берілуі, жылыту жылдамдығы, пештің түрі, үлгіге арналган ұяшықтың табиғаты мен кұрылымы, үлгінің табиғаты, өлшемі ықпал етеді. Мұнымен қатар маңызды параметрлердің қатарына тіркейтін қондыргының инерциялылығы, пештегі атмосфера, термопардың орналасу орны сияқтылар да жатады. Ал талданатын үлгінің табиғатынан басқа тығыздығы, жылу еткізгіштігі, бөлінетін газдың ерігіштігі, түрлеріндегі жылу, үлгіні қыздырғандағы көлем көбею дәрежесі, бірден булану мен ыдырау қабілеті және тағы басқа сияқты маңызды сипаттамалары болады.

ДТТ және ТГТ кисықтарына тәжірибе кезінде көптеген факторлар әсер етеді, сондықтан да олар түрлі оптикалық спектрлердегі нәтижені нактылы қайталай бермейді. Демек, әр түрлі аспаптарда жазылған кисықтар өзара ұқсас бола бермейді.

Термогравиметрия сандық талдау әдісі ретінде жиі пайдаланылады. ТГА немесе ДТГТ қиcықтарындағы әр түрлі түзу сызықты бөліктер әуелде алынған үлгінің аралық және соңғы өнімінің термиялық тұрактылығын анықтауға, кұрамдас бөліктердің сандық катынасын білуге мүмкіндік береді. Таза үлгінің массасы мен оған сәйкес әрбір бөліктің массасын біле отырып, берілген сатысындағы қоспаның немесе қосылыстың кұрамын есептеуге болады. Үлгінің белгілі құрамы бойынша берілген температуралық бөлік үшін, белгілі температуралық аралықта қыздырғанда байқалатын салмақтың кемуі мен әуелгі материалдағы заттың саны арасындағы тәуелділікті анықтайды. Бұл әдіс талдаулық шөгіндіні күйдіру, температура аралығын анықтау және гравиметрлік түрді алу үшін үлкен де маңызды мәлімет береді. ТГТ автоматты түрде гравиметрлік талдау, талдамдық реагенттердің термиялық тұрақтылығы мен тазалығын айқындау, күрделі қоспа құрамын білу, затты ауада, ауасыз жағдайда. инертті ортада қыздырып зерттеу үшін қолданылады. Термоталдауда соңғы кезде дериватограф деп аталатын жана аспап жиі қолданылуда және оның атына орай осылайша, яғни дериватографиялық талдау әдісі деп аталатын әдіс пайда болды (латынның derivatus - ауытқыған, бұрылған. гректің grapho - жазамын деген сөздерінен шыққан).

Физикалық-химиялық түрлену нәтижесінде жүретін жылу эффектілерінің өзгеруімен бір мезгілде не үлгі массасының өзгеруі, не заттағы кұбылысты нақтылы сипаттайтын басқа өлшемдер тіркеледі. Дериватографтын сезімталдығы темиератураның өзгеру жылдамдығына, үлгінің массасы мен агрегаттық күніне. Бөлшектердің өлшеміне (дисперстілігіне), температура мен оны ұстайтын қурылғы түрі мен өлшеміне, атмосфераға тәуелді.

Дериватографиялық жылу эффектілері 0,05-0,1 кДж/моль, ал салмақ өзгеруі 0,2-0,3% арасындағы дәлдікпен елшенеді. Дериватография заттардың түрлену ретін айқындауға, аралық өнімдердің саны мен құрамын анықтауға мүмкіндік береді. Онымен құймаларды, минералдарды, өсімдіктерді, биологиялық және химиялық заттарды. полимерлерді, лактарды, бояуларды, көмірді, тыңайтқыштарды және т.б. зерттеуге болады. Дериватографияны фазалық, құрылымдық, аллотроптық, изомерлік түрлендірулерді. термиялық. ыдырауды, реакция түрлерін зерттеу үшін кеңінен пайдаланады.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5. Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №3. Зерттеудің физикалық әдістері. Әдістердің жалпы классификациясы және сипаттамасы.

Спектроскопиялық, дифракциялық, резонанстық және оптикалық әдістер. Әртүрлі әдістердің энергетикалық мінездемелері. Әдістің сезгіштігі және қабілеті. Әдістің сипаттамалық уақыты. Әдістердің интеграциясы. Өрістің өзара әсерлесу теориясына негізделген заттардың құрылысы мен молекулалардың физикалық қасиеттерін зерттеу, зерттеліп жатқан затпен бөлшектер ағыны немесе сәулеленулер, оның молекулалары мен заттың бойында әр түрлі басқа қасиеттері байқалатын, ғылымның ерекше бөлімін ұсынады.

Физикалық әдістің тура мақсаты – физикалық қасиеттер жиынтығына ие, өрістің немесе бөлшектер ағынының затпен әсерлесуінен кейінгі сәулелену өзгерісін анықтау.

Физикалық әдістің кері мақсаты – физикалық әдіспен алынған, яғни тәжірибе мәндерінің берілген өзгерістерінің негізінде заттың немесе молекула параметрлерінің физикалық қасиеттерін анықтау.

Бұл оқу-әдістемелік құралында дифракциялық, спектроскопиялық, резонанстық және оптикалық зерттеу әдістері зерттеліп қарастырылады. Спектроскопиялық әдістер толқын ұзындығы немесе жиіліктен сәулеленудің шығарылуы немесе жұтылуы интенсивтілігінің тәуелділігін зерттейді. Өлшелінетін энергиялардың аралықтары бар әдістер үшін көп ретте айырады (1-кесте).

1 кесте - Спектроскопиядағы толқын ұзындықтары мен жиіліктер диапазондарының мәндері

Спектрлар	Жиіліктер, Гц	Толқын ұзындықтары	Өлшем бірліктері
ЯГР			мм/с
Рентген			эВ
Фотоэлектрондық			эВ
Электрондық			нм
Тербелмелі			см-1
Айналмалы			МГц
ЭПР			МГц
ЯМР			МГц
ЯКР			МГц

Дифракциялық әдістер сәулелену шашырауына немесе бөлшектер ағыны энергиясының өзгеруінсіз қалуына, яғни серпімді шашырауға негізделген. Шашыраудың дифракциондық суреті, бөлшектер және сәулеленудің толқындық қасиеттерімен ескерілген. Дифракцияның негізгі шарты, де Бройль толқын ұзындығы шашырайтын заттың атомаралық ара қашықтықтарынан аз немесе көп жақын болуында түзеледі. Дифракциондық әдістің: рентгено-графиялық, электронографиялық және нейтронографиялық ең көп қолданылатын үш әдісі бар. Рентгенографияда нм, электронографияда кернеуі жоғары 40-60 кВ өрістерінде үдетілген жылдам электрондар үшін нм және нейтронографияда жылулық нейтрондар үшін нм. Электрондардың шоқтары мен рентген сәулеленудің көздері көбінесе қол жетімді болып келеді. Дифракцияға арналған нейтрондық шоқтарды ядролық реактордан шығарылатын жылдам нейтрондарды баяулату арқылы алады. Құрылымдық зерттеулерде шашырау бұрышының интенсивтілігін оның шашырау бұрышына тәуелділігінен өлшейді. Рентген сәулелері молекулалар мен атомдар электрондарымен, электрондар шоқтары - электрондар мен ядролардан жасалынушы электр өрісімен, ал нейтрондардың шоқтары - ядролық күштерімен шашырайды. Рентгенография, электронография және нейтронографиядағы атомдардың шашырау қабілеттіріне арналған келесі қатынастар орын алады: . Электрондар шоқтары үшін максимал шашырау, оның электронографияда жұқа қабықша қалыңдығы см болатын және газ фазасындағы молекулалар құрылымын, сонымен қатар салыстырмалы кіші экспозицияларды анықтауда кең қолданыста болатындығын түсіндіреді. Рентген сәулелері және нейтрондардың шоқтарын нейтронографияда қалыңдығы бірнеше миллиметр және рентгенографиядағы үлес жуықтығымен миллиметр болатын макроскопиялық объектілер заттарының конденсацияланған фазаларын зерттеуге арналған. Шашыраушы атомның Z атомдық элемент нөмірінен, заттың бөлшек шоқтары мен шашыраудың өзара әрекеттесу сипаттамасына орайлас әртүрлі тәуелділікте шашырайтыны байқалады. Шашырау бұрыштары аз болғанда Z-ке пропорционал рентген сәулелердің шашырау амплитудасы , ал үлкен бұрыштарда -тең. Электронографияда орташа . Нейрондардың шашырау амплитудалары шашырау бұрышынан тәуелді болмайды (симметриялы сфералық шашырау), өйткені ядроның мөлшері кіші және Z – тен айқын түрде тәуелді емес. Бірқатар ядролар үшін < 0.

Берілген шашырау амплитудаларының қасиеттері, рентгенографияда ауыр атомдар болғанда жеңіл атомдардың координаттарын анықтау қиынға түсетіндігін көрсетеді, себебі ауыр атомдардан шашырау максимал. Электронографияда бұл әлдеқайда жақсы жағдайда. Нейтронография әдісімен сутегі атом координаталарын үлкен дәлдікпен тауып алуға болады.

Шашыраудың өзара әрекеттестік актісі немесе затпен бөлшектердің ағыны арасындағы сәулелену белгілі уақыт аралығында өтеді. Физикалық әдістің сипаттамалық уақыт ұғымының қалыптастырылуы Гейзенбергтің анықталмаушылық принципінен шығады. Әдістің сипаттамалық уақытын, кванттық жүйелер өтпелерінде (Гц) жиілікке кері пропорционал өлшем бірлік ретінде, осы физикалық әдіспен зерттеліне анынатын шама деп анықтауға болады.

Бөлшектердің ағыны үшін өзара әрекеттестік уақыты молекулалық жүйемен өткендегі уақытқа сәйкес келеді. Әдістің сипаттамалық уақыты 1-кестеде және берілген теңдеулер арқылы анықталынады:

(1)

және

(2)

Спектрлік сызықтардың пішіні мен ені молекулалық түрлердің өмір сүру уақыты туралы және айырбасталына алатын, релаксациялынатын процестерде молекулалардың күйі туралы және т.с.с маңызды хабарларды сақтайды. Айналу жылдамдық тұрақтысы молекула күйінің орташа өмір сүру уақыты арқылы анықталады, мономолекулярлық реакция үшін сияқты . Энергия күйі, орташа өмір сүру уақыты τ болатын, мәнінің аралығымен сипаттауға болады. Егер кванттық өтпелер сызықтары екі өзара айнала алатын 1 және 2 молекулалар пішіндері және жиіліктерімен сипатталатын, сызықтың орташа енінің айырмасы Δv-ден кіші болса, онда сызықтар біреуге бірігіп қосылады. Осыдан сызықтың біреуге бірігіп қосылу шартын жазайық:

немесе (3)

Қазіргі заман техникасының дамуы, тәжірибелік және теориялық физиканың сезгіштігінің жоғарылауына тұрақты түрде рұқсатушы және басқа сипаттамалық қабілеттерін, не басқа физикалық әдістің жаңа мүмкіншіліктерін көрсетуіне, жаңа құбылыстардың және олардың негізінде жасалынған принципті жаңа әдістердің ашылуына апарады. Өте маңызды проблемалардың бірі әрдайым үйлесімді мүмкіншілігі жоғары ғана емес, қолайлы әдіс пен әдістер тобының таңдалуымен қатар, оның қол жетерлігі мен үнемділігі де есепке алыну керектігі болып қалады.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №4. Дифракциялық әдістер. Құрылымдық кристаллографияның негіздері.

Кристалдық күй-жағдай. Кристаллографиялық проекциялар. Кристалдардың құрылымы және кеңістіктік тор. Кристалдардың симметриясы. Кристалдың геометриялық элементтерін аналитикалық суреттеу .

Кристалдық зат деп, материалдық бөлшектері (атомдар, иондар, молекулалары) үш бағытта периодты дұрыс орналасуын айтады. Кеңістікте кристалл бөлшектерінің орналасуын кристалдың құрылымы деп түсінеді. Кеңістіктік тор – кристалдағы атомдар (бөлшектердің) орналасуын сипаттайтайтын геометриялық бейне.

Ең азы параллелепипед, оны үш бағытта үзіліссіз параллель көшірулер жүргізу арқылы барлық кеңістік торын салуға болады, ол элементар ұяшық деп аталады.

Үш негізгі вектор, элементар ұяшықтың қабырғалары болып табылатын трансляция немесе бірлік осьтер деп аталады. Трансляцияның абсолюттік өлшем бірлігі а, b, с периодтық торлар деп аталады. Тор периоды және үш қабырға арасындағы ұяшықтар бұрышы (осьтік бұрыштар) міндетті түрде элементар ұяшықтарды сипаттайды. Барлық кеңістік торларының әр алуандығын жеті жүйеге - сингонияларға бөледі, бұрыштар мен бірлік осьтердің өзара қатынасынан шыға: кубтық, гексагоналдық, тетрагоналдық, ромбоэдралық, ромбылық, моноклиндік, триклиндік.

Элементтердің тәуелсіз үйлестірулердің саны тор симметриялары (кеңістік топтары) 230 құрастырады. Ұқсатылған элементтер симметриясының бар болуынан 230 кеңістік топтарын 32 нүктелік топтарға (симметрия кластарына) біріктіруге болады.

Егер кристалдың барлық бөлшектері бір элементар ұяшыққа жататын болса, оларды ауырлық центрімен алмастыра отырып, кеңістікте периодты түрде он төрт әр түрлі әдіспен таратуға (транслиттеуге) болады - 14 транслиттік Бравэ торлары . Тек шыңдардағы (түйіндегі) атомдардан өзге, бұл тордағы ұяшықтар бір атомдардан құралған: - кубтың ортасында, - кубтың алты қырының әрқайсысының центрінде, - екі үшқырлы призманың біреуінің центрінде, төрт тетраэдрлықта (сегізден) әр қырының центрінде ұяшық ішінде алмаз типті элементар параллепипедті құрайды. Белгілі кеңістік торларында бір элементар ұяшыққа тек бір атом, күрделілерге - бірнеше атом келеді. Күрделі торларды бірнеше қарапайым белгілі торлардың бір-біріне қойылған қосындысы ретінде қарастыруға болады. Белгілі торлардың саны оның ішіндегі күрделі элементар ұяшыққа сәйкес келетін атомдар санына сәйкес келеді. Күрделі торлар көбінесе базисті торлар деп аталады. Тордың базисі деп бірлік осьтерде көрсетілген, берілген тор үш осьтік бағытта трансляцияланып құралатын жиынтық бөлшектер санының минимал координаттар қосындысын айтады. Базис қосарланған квадрат жақшаларда жазылады. Элементар ұяшық көлеміне, атомдармен орын иеленген көлем бойынша, көлемді толтыру коэффициенті . Координаттық сан – қарастырылып жатқан торға жақын, яғни бір түр бөлшектер санына жататын сан. Кеңістік торларының түйіндері арқылы өтетін түзулер және жазықтықтар, сәйкесінше түйіндес түзулер мен жазықтықтар деп аталады. Барлық түйіндес түзулер немесе жазықтықтар, кеңістікте бірдей орналасқан жазықтықтар немесе түзулер жанұясын құрайды. Олар кристаллографиялық түрде ұқсас және бірдей периодтарға ие, сәйкесінше жазықтық аралық ара қашықтықпен ұқсас болып келеді.

Тордағы жанұялық бағыттар мен жазықтықтар орналасуы бірмәнді Миллердің кристаллографиялық индекстерімен анықталады. Кристаллографиялық жазықтық индекстері деп , бірлік осьтер санына кері пропорционал үш өзара қарапайым, кристаллографиядағы координаттар осьтерікесінділердің тап осы жанұсының бүтін саны ретінде түсініледі. Жазықтық индекстерінің жиынтығы дөңгелек жақшаға алынған , жазықтық таңбалары деп аталады.

Кристаллографиялық бағыт индекстері деп кез-келген атом координаттарына пропорционал осы бағытта орналасқан, бірлік осьтерде өлшенген үш өзара байланысты бүтін қарапайым сандарды айтады. Сол бағыттағы кристаллографиялық индекстерді анықтағанда оны координат басында өзіне-өзін параллель жүргізу қажет. Бағыттардың кристаллографиялық индекстерін квадрат жақшаға әріпті түрде белгілейді .

Жазықтықтардың жанұялық сериясы, бір бағытқа параллельді торда, кристаллографиялық аймақ деп, ал бағыт болса — аймақ осі деп аталады.

Жазықтықтардың әрбір жанұясы индекстерімен, сонымен қатар жазықтық аралық ара қашықтығымен, яғни екі көршілес параллель жазықтық ара қашықтығыпен сипатталады. Күрделі тор оқиғасында жазықтық аралық ара қашықтық кристаллографиялық ұқсас жазықтықтар бір қарапайым торға жататындармен көршілес паралельді аралық ара қашықтықтары бірдей болады.

Әрбір сингонияның артынан индекстері, өлшем бірлігімен тор период арасында әр түрлі математикалық тәуелділік болады. Барлық ұқсас кристаллографиялық жазықтық жанұялары, яғни жазықтық аралық ара қашықтығы бірдей жазықтықтар жанұясы жазықтықтар қосындысын құрайды, оны фигуралық жақшамен белгілейді .

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №5. Рентген сәулелерінің физикасы

Рентген сәулелердің табиғаты мен олардың спектрі. Вульф - Брэгг формуласы. Кристалдарды рентген сәулелерімен шашырату. Рентген сәулелері өзімен электромагниттік толқын ұзындығын көрсетеді, атомдардың сызықтық өлшемдерімен салыстырғанда толқын ұзындықтары . Бұл көрінбейтін сәулелер кейбір кристалдық заттарда флоуресценциялық қабілетін шақырады (мырышты күкіртті қоспа, платино – синеродтық барий және т.б.), фотопластинкаларға әсер ете алады (көрінетін жарық үшін мөлдір емес экрандарды жарықтатуға) және газдарды иондайды. Рентген сәулеленуінің екі түрі белгілі: тежеуіш және сипаттамалық.

Тежеуіш сәулелену рентген трубкаларында жылдам электрондар анодқа шабуылдап тежеліп тоқтағанда вакуум ішінде пайда болады. Тежеуіш сәулелену қысқа толқынды бөлімдерде өкпек шекараның бар болуы, кинетикалық энергия және тез ұшатын оқталған бөлшектің (электронның) массасы жаппай спектрге ыдырайды.

Сипаттамалық рентген сәулелері атомдағы электронның ядро орбитасынан алыс жатқан жерінен жақынырақ жатқан орбитаға көшу кезінде пайда болады, егер тереңірек жатқан орбитада бос орын пайда болса, сипаттамалық рентген сәулесі газдардағы оптикалық спектрлерге ұқсас сызықтық спектрлігіне ие болады. Сызықтық спектральді рентген жиілігі мен (Z) элементтің реттік номерінен сипаттамалық шашырауды байланыстыратын заң Г. Мозглимен (1913) жылы ашылған болатын және ол келесідей түрде түсіндіріледі: жиілігі немесе сипаттамалық сызыққа сәйкес келетін квадрат түбірі элементтердің реттік номерінің сызықтық функциясы болып табылады.

Рентген сәулелері заттан өткенде жартылай жұтылады. Кіретін ағыны мен интенсивтілік арасындағы қатынас заттың өтпелі қабаты келесі түрде болады

(4)

мұндағы – жұтылу коэффициенті;

–жұтатын қабаттың қалыңдығы.

Әрбір элемент үшін үлгі құрамына кіретін өлшем бірлігі, рентген сәулесінің жиілігіне байланысты секіртпелі түрде өзгереді. Қисықтағы жұтылудың секіртпесі n=1 (К-жұтылу), n=2 (L-жұтылу), n=3 (М-жұтылу) және т.б. резонанстық жұтылуға сәйкес келеді.

Рентген сәулеленуінің жұтылу коэффициентіне заттың тығыздығы және сәулелену толқын ұзындығының табиғаты маңызды әсерін тигізеді.Рентген сәулелерінің заттан жоғарғы өтімділігі және де рентген сәулелерінің кристалдық торға дифракциясы тәжірибелік түрде оптикалық мөлдір емес заттардың құрылымын олардың бұзылмауынсыз зерттеуіне негіз болады.

Дифракция құбылысының пайда болуы үшін, көршілес жазықтықтар арасындағы ара қашықтық кристалда­ сәуле пайда болуы, түскен сәуле толқын ұзындығының жартысынан кем болмауы қажет. Рентген сәулелердің дифракциясы газдарда, сұйықтықтарда және аморфты заттарда, әсіресе кристалдарда айқын байқалады. Рентген сәулелердің дифракциясындағы кристалдар негізінде, кейінірек рентген құрылымдық және рентгенофазалық талдау әдістері ­ өңделген. Рентген сәулелерінің дифракция мәні - екінші қайтара толқындардың толқын жиіліктерінің өзгеруінсіз зерттеліп жатқан атомның электрондық қабықшасындағы құраушылар, яғни электрондармен шашыратылған амплитудаларының қосуында жатыр. Рентген сәулелерінің рұқсат етілген шашырау (дифрагиралық) бағыттарының кеңістік шашырауының саны мен сипаттамасы Ю. Вульф пен У. Брег (1913) келесідей қатынастағы заңымен анықталады

(5)

мұндағы d – кристалдағы шағылатын көршілес жазықтықтың арасындағы ара қашықтық;

–кристалға түсетін жарықтың шағылу бетінің бағытымен пайда болатын сырғанау бұрышы;

п – берілген және -да дифракциялық максимум бақыланатын, реттік шағылу;

λ – рентгендік сәулеленудің толқындық ұзындығы.

Егер зерттелетін кристалл, монохроматты рентгендік жарық жолында орналасқан болса, оны жарықтың пер­пендикуляр осі бойынша айналдырып және осылайша, шағылатын жағдайға рет-ретімен кристалдың жазықтық жүйесін қойсақ, онда, шашыраудың толық суреті бақылады. Рентгендік сәулеленудің үздіксіз спектрінің көзін қолдана отырып, дифракциялық суретті үлгі айналуынсыз да алуға болады. Бұл жағдайда барлығына кристалл жазықтығының жүйесі үздіксіз спектрде міндетті түрде, Вульф – Брегтің заңын қанағаттандыратын λ толқын ұзындығы табылады.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №6. Рентгендік техника

Рентгендік трубкалар мен аппараттар. Рентгендік сәулеленудің тіркелуі және олардың өлшеулерінің интенсивтілігі. Ионизациялық және фотографиялық әдісі.

Рентгендік сәулелерді алу үшін: рентгендік трубкалар, рентгендік аппараттар, бетатрондар (рентгендік сәуленің ерекше қысқа толқындылығын алу үшін), рентгендік сәулеленудің радиоизотоптық көзінің мінездемесін қолданады.

Рентгендік трубка электронның жолында орнатылған, нәтижесінде пайда болатын атом анодымен тез ұшатын электрондардың ара қатынасы, рентгендік сәуле көзі болып табылады.

1-сурет. Рентгендік трубка

Рентгендік трубкалар келесі белгілер бойынша классифициаланады :

- электрондарды алу жолы бойынша трубкалар иондық және электрондық;

- вакуумды жарату және құру жағдайы бойынша тігілген және құрылған трубкалар;

- қолдануы бойынша: материалдың мөлдірлігі, анализдің құрылымында, спектрлік талдауда, медициналық мақсатында (диагностикалық және терапевтикалық);

- фокустың (ауданының) шамасы бойынша трубканы нормаль және фокус бойынша жасайды.Түгелдей шыныдан немесе шыныдан және металдан жасалынған рентгендік трубка баллондық түрде болады. Баллонда катод пен анод орналасқан. Трубка жоғары вакуумға дейін сорылады. Вольфрамнан тұратын қызған жіп катод болып табылады, оны трансформатордың төменгі вольтты тогымен 2273—2973 К-ге дейін қыздырылады.

Анодқа фокустайтын электрон ағынының құрылғысында катод орналасқан. Қалайыдан жасалған цилиндрдің ішкі жағы түбіндегі жазық кеңістігі анод болып табылады. Нысана рөлін атқаратын бұл аймақты электрондармен атқылағанда сипаттаушы сәулеленудің қажетті толқын ұзындығын алу үшін металл қабатымен жағады (дәнекерлеу және гальваникалық әдіспен). Трубканың ПӘК-і төмен болғандықтан (~1-3%), оның жұмысы кезінде бүкіл дерлік тұтынатын қуаты жылуға айналады, сондықтан анодты суыту жүйесі қолданылады (ауалы, сулы, майлы). Жіңішке берилл фольгасынан жасалған әйнектер 0,4 нм-ден және одан төменгі сәулеленуді өткізуге мүмкіндік береді.

Рентген аппараты күрделі құрылғы, ол жоғарғы вольтты трансформатордағы рентгендік трубкадан ( кернеуді жоғарлататын), рентгендік трубканың қыздырушы трансформатор және кенотроннан (төмендету типінің трансформаторы), басқару пультынан құралады (орам санының түрлілігі немесе лездік регуляторы автотрансформаторда орналасқан, жоғарғы кернеудің өшуі, кенотрон-ның және рентгендік трубканың қыздыру реостаты, бақылау құралдары).

Кенотрон электронның рентгендік трубкасына ұқсас, ол жоғары кернеудің тогын түзету үшін қолданылады немесе кернеудің белгісі ауысқан кезде рентгендік трубканы өшіреді.

Пайдаланылуына байланысты рентген аппараттары әртүрлі жоғары вольтті сұлбаларға ие.

Рентген сәулелерін тіркеуде ионизациялық, фотографиялық, электрофотографиялық және люминесцентті әдістер қолданылады.

Рентген құрылымдық талдаудың әдістері

Лауэ әдісі. Монокристалдың айналу әдісі. Ұнтақ әдісі. Әдістер негізі. Индициялау, рентгенограмманы есептеу және алу. Рентгендік камералар және дифрактометрлер [1, С. 257-267, 369-376, 381-; 5, C.149-219].

Зерттелетін кристалдық үлгіде рентген құрылымдық талдауды өткізген кезде толқын ұзындығы 0,07-ден – 1нм – ге дейін рентгендік сәуле жолына орналастырылады, ол кристалмен араласқан болады. Рентген құрылымдық талдауды өткізу үшін зерттелетін кристалдың жолында рентгендік сәуле толқын ұзындығы 0,07-ден –1нм-ге дейін бірлесіп әрекет жасайды. Соңында фотоэмульсия көмегімен немесе арнайы электрондық детектормен тіркелетін дифракциялық сурет болып шығады. Оны талдай отыра, кристалл торларының түйіндерінде атомдардың кеңістікті орналасуын, кристалдың элемен-тар ұяшықтарының өлшемін, олардың орналасу симметриясы мен бөлшектер санын анықтайды. Кристалдың дифракциялы спектрін зерттеген кезде (5) Вульф - Бреггің теңдеуі қолданылады. Рентген құрылымдық талдаудың бірнеше әдістері өңделген.

Лауэ әдісін монокристалдардың құрылымдарын зерттеу үшін қолданады. Жаппай спектрге ие монокристалды үлгіні рентген сәулесінің жолында орналастырамыз. Бұл монохроматсыз сәуле кристалға түскенде, онымен әрекеттесе отырып, дифракция нәтижесінде фотопленкада бірінші сәуле дағы арқылы өтетін эллипс, гипербола, түзу түрінде орналасқан қараңғылы дақ нүктелері пайда болады. Монокристалдың белгілі бір орналасуында алынған сурет кристалл симметрияларының құрылымдық сипаттамасынан өзге негізгі элементтерін орнатуға мүмкіндік береді (кристалдың элементарлық ұяшық мөлшері, ондағы атомдардың саны және т.б.) [5, C.149-167].

Айналу әдісі. Оның мәні монохроматты рентген сәулесінің жолында орналасқан монокристалдың өз осінің бойында сәуле бағытына перпендикуляр кристалдағы негізгі кристаллографиялық бағыттармен әсіресе сәйкес келетін бірқалыпты айналуынан құралған. Мұндағы өзгергіш параметрі мұнда бұрышы болып табылады. Цилиндрлік кассетада орналасқан кең фотопленкаға рентгенограмма түсіріледі. Белгілі бір бұрыштарында пайда болатын шағылу сәулелері конустың жақтаулары бойынша таралады және фото-пленкамен қиылысу кездерінде қабатты дақтар деп аталатын сызық-тар қалдырады. Қабатты сызықтар аралығындағы қашықтықтар ар-қылы айналу осінің бағытындағы кристалл торының периодын есептейді. Бірақ бұл әдіс арқылы тербелу және рентгеногониометрия айналу әдістері сияқты бұрышы бар әрбір дақтың орналасуының қатынасын анықтамайды.

Тербелу әдісінде монокристалл таңдалған ось айналасында толық айналымдар жасамай, тек кіші бұрыш аралықтарында кішігірім тербелістер жасайды. Бұрыш аралықтарының координаттары сәйкес дифракциялы дақты сипаттайтын шамасын өлшейді және анықтайды.

Рентген гониометр әдісінде (Вайссенбергтің) монохроматты сәулелену қолданылады, онда таңдалынған ось айналасында кристалды айналдырады, сол кезде цилиндрлік қабыршақты касета айналып жатқан кристалл осінің бойымен ілгерімелі-артқа қозғалғандықтан, шағылу оның үшінші координатасында ажыратылады. Дифракциялық суреттің барлығын түсірмей, айқын лайықтау көмегімен қандай да бір қабатты сызықты, көбінесе нөлдік қабатты сызықты кесіп алады. Мұндай түсіру әдісінде әрбір интерференциялық рефлекс пленкадағы айқын жерге түседі де рефлекстердің қабаттасуы болмайды. Осындай амал көмегімен шағылу сфераларын қолдана отырып, интерференция индекстерін анықтайды да, олар арқылы сөну заңдарын орнатады. Содан соң кестелер арқылы симметрияның федоровтік кеңістіктік тобын анықтайды, яғни басқаша айтқанда, берілген кеңістіктік торға сәйкес симметрия элементтерінің толық терімін анықтайды, бұл ақпарат кейін электронды тығыздық проекцияларын есептеу қисаптарын жеңілдетеді. Кейін әрбір рефлекстің интенсивтілігін анықтау арқылы құрылысты амплитудалар мәндері анықталынып, электронды тығыз-дық проекциялары салынады.

Ұнтақ әдісінде немесе дебаеграммада монохроматты рентген сәулеленуін қолданады. Поликристалдық үлгіні тар рентген сәулелену жолында орналастырады. Ұнтақта сәулеге қатысты әр түрлі ориен-тациялы орналасқан кристалдар бар болатындықтан, әр мезетте орналасуы Вульф – Бреггтің шартына сәйкес келетін кристалдар табылады. Нәтижесінде d1, d2, d3,..., dn кеңістік аралық қашықтыққа сәйкес келетін ұнтақтағы барлық кристалдар, түсірілген сәулеге қатысты «шағылушы» (бірақ сөндірмеуші) орынға түседі. Шағылған сәулелер қатал айқындалған бұрышты конусты құрайды.

Ұнтақ әдісіндегі рентгенограмма түсірілімінде фотопленка жолағына кіретін рентген сәулесі, оны диаметрі бойынша қиғандай үлгі айналасында (касетада) орналастырады. Нәтижесінде бірінші сәуле бағытынан салыстырмалы симметриялы орналасқан шағылған сәулелердің әрбір конусы фотопленкада имектер түрінде жарық түсірілген із қалдырады. Имектер араларының қашықтығы мен фотопленка сақинасының радиусын анықтау арқылы шағылған сәулелер конустарының бөліну бұрыштарын есептеуге болады, осыдан кристалдардың шағылу кеңістігіне түсетін бұрышекендігі шығады, олай болса, осыдан монохромат рентген сәулесініңтолқын ұзындығын және кристалдағыкеңістік аралық қашықтықтарының мәндерін де есептеуге болады. Ұнтақ әдісі бойынша зерттелетін зат кристалдарының симметриясы жөнінде қосымша мәліметсіз, бұл заттың құрылымын анықтау мүмкін емес. Бірақ тәжірибе қарапайымдылығы мен кеңістік аралық қашықтықты есептеу жеңілдігі, бұл әдістің рентгенофазалық талдауда кеңінен қолданылуын түсіндіреді.

Индицирлеу - бұл дифракциялық максимумдардың индекс-терін, яғни шағылған кеңістіктер жиынының: H=nh, K=nk, L=nl индекстеріне (hkl) пропорционал бүтін сандар үштігін (HKL) анықтау, мұндағы n – шағылу реті. Кристалл симметриясы төмендеген сайын индицирлеу есебі қиындай түседі, себебі тәуелсіз параметрлер саны жоғарлайды.

Ең айқын рентгенограммалар кристалдық үлгілер үшін байқалады, ал сұйықтықтар, шынылар және аморфты заттар тек шайылған дифракциялық сақиналардың болғандығымен сипатталады және бұрышы өскенде олардың интенсивтілігі тез арада түседі. Сөйтсе де, осындай дифрактограммаларды талдай отыра, осы орталарда алыс реті жоқ, бірақ жақын реті орын алатын құрылымы жөнінде кең ақпарат алуға болады.

Рентген құрылымдық талдау, металдарды және оның қоспаларын зерттеу кезінде ерекше мәнге ие болады. Рентген сәулелерін қолдану құрылымдарды анықтаумен шектелмейді. Дифракция құбылысын қолданудың басқа түрлері де белгілі, олар – рентгенофазалық талдау және рентгендік микроскопия.

Рентгендік камера – фотопленкада дифракциялы рентгендік максимумды барынша тіркеуге мүмкіндік беретін құрылғы. Рентгендік камераға сәулеленудің көзі ретінде рентгендік трубка қызмет етеді. Рентген камераларының қолдану бағытына байланысты конструктивті түрде әртүрлі бола алады (монокристалдар мен поликристалдарды зерттеуге арналған рентгендік камералар, шағын бұрышты рентгенограммаларды алуға арналған рентген камералар, рентген топографиясына арналған рентгендік камера және т.б.). Барлық рентгендік камералардың құрамында коллиматор (монохроматор немесе сұрыпталған сорғыш фильтр), үлгіні орналастыру түйіні, фотопленкасы бар касета (жалпақ немесе цилиндрлік), үлгінің қозғалу механизмі (кейде кассеталар) болады.

Рентгендік дифрактометр дегеніміз иондық және сцинтилляционды тіркеу әдісін қолданатын кристалдық объектіде шоғырланған рентгендік сәулеленудің интенсивтілігі мен бағытын өлшеуге арналған құрылғы. Рентгендік дифрактометр рентгендік сәулелену көзінен, зерттелетін үлгі орналастырған рентгендік гониометрден, сәулелену детекторынан және электронды өлшеуші –тіркеуіш құрылғысынан құралған. Рентгендік дифрактометрдегі үлгінің дифракциялық суретін үлгі мен есептеуіштің айналуына байланысты болады. Дифрактометрлерде Брэгг – Брентано мен Зееман–Болиннің фокустелу схемаларын қолданады. Рентген камераларымен салыстырғанда рентгендік дифрактометр жоғарғы дәлдікке, сезімталдыққа, экспрессивтілікке ие және ақпаратты алу процесі толығымен автоматтандырылған болуы мүмкін.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №7. Спектрлік әдістер

Атомды спектрлік талдау. Атомдық спектрлер. АСТ-ның физикалық негізі. АСТ әдістері: сапалық және сандық эмиссионді, атомды– абсорбциялық және атомды – флуоресценттік. Аспаптар мен эксперимент техникасы.

Атомды спектрлік талдау (АСТ) жұтылу мен шығару атомды (ионды) спектрлері бойынша үлгінің элементті құрамын анықтайды.

Сапалы АСТ-да зерттелетін заттан алынған спектрді арнайы кестелер мен атластарда келтірілген элемент сызықтарының спектрімен салыстыруды жүзеге асырады.

Сандық АСТ-ң негізінде анықталатын элементтің концентрациясын байланыстыратын анықталатын қоспа I₁ сызығы мен салыстыру I₂ сызығының интенсивтіліктерінің қатынасы жатыр:

(6)

мұндағы, а және b – зерттеу жолымен анықталатын тұрақтылар.

Атомды эмиссионды спектрлік талдау әдісі деп қоздыру көзі әсерінен пайда болатын заттың құрамын атомдарының сәулеленуі спектрі бойынша анықтау әдісін айтады (доға, шоқ және т.б.). Сәулелендірілетін заттың сәулелену спектрлерін алу үшін оның құрамын шағылдыратын үлгіні алады да, оны сәулелену көзіне кіргіздіреді (атомизатор). Осында қатты және сұйық үлгілер буланады, қосынды диссоциирленеді және еркін атомдар (иондар) қозу күйіне көшеді. Атом қозу күйінде қысқа уақыт ~10^-7 – 10^-8с болады және қалыпты немесе аралық күйге оралады. Атом артық энергиясын фото немесе квант жарығының сәулеленуі түрінде береді, оның мәні келесі теңдеулермен анықталады:

(7)

мұндағы, Е₁ және Е₂ – сәйкесінше жоғары және төменгі деңгей энергиялары, эВ;

ν-сәулелену жиілігі;

h – Планк тұрақтысы;

с-жарық жылдамдығы;

λ – сәулеленудің толқын ұзындығы.

Қозған атомдағы белгілі бір энергетикалық көшуге сәйкес келуші қандай да бір толықын ұзындығының сәулеленуі, спектрлік сызық деп аталады. Атомдардың әртүрлі жоғарғы энергетикалық деңгейлерден бір төменгі энергетикалық деңгейге көшуі спетрлік сызықтар сериясының пайда болуына әкеледі. Атомның біріуінен екіншісіне көшуге сәйкес келетін спектрлік сызықтың толқын ұзындығы (7) теңдеуімен анықталады. Әрбір сызық оның жоғарғы деңгейінің энергиясына тең белгілі қозу потенциялына ие. Әрбір элементтің атомы арнайы энергетикалық деңгейлер жүйесіне ие болғандықтан, олар берілген элементке сипатты спектрлік сызықтарды сәулелендіруге шығарады. Спектрдің оптикалық аймақтарына инфрақызыл, көрінетін және инфракүлгін кіреді.

Эмиссионды спектрлік талдау әдісі. Тіркеу және спектрлік сызықтарының интенсивтілігін өлшеу әдісіне байланысты эмиссионды спектрлік талдаудың визуал, фотографиялық және фотоэлектрлік әдістері бар.

Визуалды әдістер визуалды тіркеуге, талдалынатын үлгінің спектрлік сызығының фотометриясына негізделген және жарық сәулеленуінің қабылдауышы қызметін атқаратын көз қасиеттерінен тәуелді көбінесе қарапайым әдіс болып табылады. Визуалды әдістерді 400-700 нм толқын ұзындығы аумағындағы спектрлерді зерттеуде ғана қолдануға болады. Визуалды әдістер стилоскопиялық және стилометриялық болып бөлінеді.

Фотографиялық әдістер спектрлерді фотографиялық тіркеуге негізделген. Графикалық әдіспен спектрді тіркеуші құралдары (аспаптары) спектрографтар деп аталады. Спектрографтардың жұмыс істеу аймағы ~1000 нм толқын ұзындығымен шектеледі, себебі фотографиялық тіркеу әдісін көрінетін және ультракүлгін облыстарда қолдануға болады. Спектрлік сызықтардың интенсивтілігін фотопленкада немесе пленкадағы кескіннің қараюы дәрежесіне байланысты микрофотометр көмегімен өлшейді.

Фотоэлектрлік әдіс талданатын үлгі спектрінің фотометрия және фотоэлектрлік тіркеуіне негізделген. Аналитикалық анықталатын элементтің спектрлік сызығының жарықтық ағыны оны монохромат немесе полихроматпен (квантометрмен) қалған басқа спектрлерден бөлу оны электрлік сигналға түрлендіреді және осы сигнал шамасы бойынша сызықтың интенсивтілігін өлшейді. Жарық ағынын электрлік сигналға түрлендіру электрлік жарық қабылдауыштары көмегімен жүзеге асырылады (вакуумдық фотоэлементтерді немесе фотоэлектрлік көбейткіштерді).

Атомды-абсорбционды талдау анықталатын элементтің еркін атомдарының әрбір элементінің толқын ұзындығы үшін сипаттамалы резонанстық сәулеленуін жинақтапжұтуы қабілетіне негізделген. Талданатын үлгіні қарапайым қабілетті ерітіндіге көшіреді. Жұтылуды байқау үшін талдалынатын ерітіндігіні шам жалынына аэрозоль түрінде үрлейді, онда молекулалардың термиялық диссоциациясы жүреді. Осы кезде пайда болған көптеген атомдар қозбаған қалыпты күйде болады. Олар сыртқы стандартты сәулелену көзінен шам жалыны арқылы өтетін өздік сәулеленуді жұту қабілетіне ие. Мысалы, анықталатын элемент металынан жасалған катодқа толы шамдар. Осының нәтижесінде атомның оптикалық электроны энергетикалқ деңгейі жоғарғысына өтеді, ал жалын арқылы өтетін сәулелену әлсірейді. Талдау кезінде жалыннан қарсылықсыз және талданылатын ерітіндіні оған себуден кейін өткен жарық сәулеленуінің жұтылуын өлшейді.

Мұнда әдетте D оптикалық тығыздықты қолданады, ол келесі қатынасты өткізумен байланысты:

(8)

мұндағы, k – жұтылатын заттың сәуле табиғатына және сәулелену толқын ұзындығына тәуелді бір атомға келетін сәуленің жұтылу коэффициенті;

l – атомның жұтушы қабатының қалыңдығы;

C – жұтушыылатын атомның концентрациясы;

T – өткізу немесе мөлдірлік;

I – атомның жұтушы қабаты арқылы өткен сәулелену интенсивтілігі;

I₀ – түсетін резонанстық сәулелену интенсивтілігі.

D және T шамалары заттың табиғатынан оның ерітіндіні концентрациясы мен таңдалған сәулелену толқын ұзындығынан тәуелді әртүрлі заттардың құрамын жұтылу спектрлі бойынша анықтау үшін бірінші немесе екінші сәулелік сұлба бойынша жұмыс істейтін спектрофотометрлер құрастырылған.

Атомды – флуоресцентті талдау үлгіні атомизаторда буландырады. (жалынды, графитті трубкада, жоғары жиілікті және орташа жиілікті разряд плазмасында). Үлгінің атомды буын, зерттелінетін элементті резонанстық сәулеленумен сәулелендіру, оның флуоресценциясын тіркейді.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №8. Молекулалық спектрлік талдау

Молекулалық спектр. Электронды, тербелмелі, айналмалы ауысу. Сапалық және сандық МСТ. Бугер-Ламберт-Бер заңы. ИҚ және КШ спектроскопияның тербелмелі әдісі. Спектроскопияның УК электронды әдісі.

Берілген энергетикалық деңгейлер арасында электронның ауысуы кезінде белгілі квант сәулесінің жұтылу немесе шығуы уақытында спектрлер пайда болады.

Заттың электромагниттік сәуле жұтылу, шығару және шашырауы нәтижесінде сәуленің спектрлі құрамын молекулалық спектроскопия зерттейді. Барлық жағдайда молекулалық спектр молекуланың әр түрлі энергетикалық күйлерінің арасындағы кванттық ауысуының нәтижесінде және олардың құрылысы туралы деректер құрамына кіреді.

Заттың молекуласы жарықты жұтқан кезде үш түрлі қозу немесе өтуде қатысады, яғни олар – электронды, тербелмелі және айналмалы. Егер молекуланың ішіндегі байланысты (байланыссыз) электрон сәулелену әсерінен негізгі күйден энергиясы жоғары бос молекулалық орбитальға өтсе, онда молекуланың электронды күйінің өзгеруімен сипатталады. Электронды ауысуға жоғары энергия және жиілігіне (209-627 кДж/моль) сәйкес болуы керек. Мұндай электронның қозуы үшін спектрдің көрінетін және ультракүлгін бөлігінде сәулелену болуы керек.

Химиялық байланысты құрайтын атомдар тепе-тең орында тұрған белгілі бір бағытта, жиілігі және амплитудасы ядроның ығысуымен анықталынатын үздіксіз тербелмелі қозғалыста орналасады.

Электромагниттік сәуленің барлық спектрі ұзын радиотолқыннан қатты γ-сәулеленуге дейін кең диапазонды жиілік аумағын алады. Молекулалық спектроскопия оның кішкентай бөлігін ғана алып жатыр. Спектрдің қандай аумағында орналасқанына байланысты оны ультракүлгін, инфрақызыл (ИҚ), көрінетін немесе микротолқынды деп атайды. Алғашқы үш аумақта орналасқан спектрді оптикалық деп атайды. Оларды жалпы және эксперименталды әдістердің алынуы арқылы байланыстырады.

Сыртқы сәулелену көзінің электромагниттік тербеліс және молекулалар ішінде атомдардың тербелмелі қозғалыс жиіліктері сәйкес келсе, онда энергияның резонанстық жұтылуы байқалады. Нәтижесінде молекула төменгі (негізгі) тербелмелі деңгейден қандай да бір қозу деңгейіне өтеді. Тербелмелі ауысуға электрондыққа қарағанда аз энергия мен жиілік сәйкес келеді, сондықтан молекуланы тербелмелі қозған күйден өткізу үшін ұзын толқынды, инфрақызыл спектр аумағында сәулелендіру керек.

Молекулалар тербелістен басқа айналмалы қозғалысқа да қатысуы мүмкін (әрине, қатты денелерде және сұйықта айналмалы қозғалыс тежеледі және діріл түрінде беріледі, яғни маятниктік қозғалыс). Айналмалы қозғалыс жұтылу кезінде аз энергиясы болады, ол тербелмелі ауысуға ұқсас спектрдің микротолқынды және радио жиіліктік аумағында таза күйінде байқалады.

Электронды ауысуға тербеліс пен айналмалы ауысу аралас жүреді, ал тербелмеліде – айналмалы ауысу. Сондықтан электронды спектрде құрылымы жұқа тербелмелі – айналмалы болады, ал тербелмеліде – айналмалы.

Спектроскопияның комбинациялық шашырауы (КШ) ИҚ-спектроскопия сияқты тербелмелі және айналмалы ауысумен жұмыс істейді. Бірақ КШ спектрінің табиғаты басқа. Классикалық тұрғыдан қарағанда жарықтың шашырауы индуктивтілігінен айнымалы электр ағынының электромагниттік толқыны затқа түскен кездегі молекулалық дипольдің тербелісінен шығарады. Егер поляризацияланған молекуланың өзгерісімен сипатталса, таңдау ережесіне бағынатын болса, онда КШ-спектрінде тербеліс айқын көрінеді. Олай болса, ИҚ-спектрінің жұтылуының шығуы молекуланың тербеліс кезінде өзіндік диполь моментінің өзгерісіне байланысты болады.

КШ әдісінің мәні болып үлгіні монохроматты жарықпен жарқырату саналады. Түзу бұрышпен түсетін жарыққа шашыраған сәулені спектрографқа енгізеді және шыққан КШ спектрін зерттейді. Шашыраған сәуленің екі түрлі табиғаты болады, жиілігі және энергиясы hν₀ болатын түскен жарық кванты үлгінің молекулаларымен араласып, өзгермей шашырауы мүмкін (релей шашырауы), ал басқалары сондағы ауысуды қоздырады (молекулалар қозған күйге өтеді). Олай болса, негізгіден ν₀ бірінші қозған ν₁ тербелмелі күйге өткенде қозуға керекті энергия, яғни екіатомды молекуланың ΔΕ_0,1=hν_ν тең болады.

Нәтижесінде молекуланың түскен жарық квантымен араласуынан спектрде стокс түзуіне сәйкес шашыраған жарықтың жиілігі ν₀+ν_ν болады. Басқа жағынан қарағанда қозған молекуланың түскен жарық квантымен hν₀ араласуы негізгі күйге өткен кезде фотонмен жарқырайтын энергиясы h(ν₀+ν_ν) тең болатын өзінің бір бөлік энергиясын береді. Жиілігі (ν₀+ν_ν) болатын жарық шашырауына КШ-спектріндегі антистокс түзуі жауап береді.

Төмен энергиясы бар алыс инфрақызыл және микротолқын аумақтарда молекула ішінде айналмалы ауысуды көрсетеді. Микротолқынды спектроскопияның инфрақызылдан айырмашылығы жоғары дәлдікпен жиіліктерді өлшей алатындығында. Алыс инфрақызыл аумақ және микротолқынды жиілік аймағы 10^-3-10² см^-1 аумағын алып жатыр. Молекула құрамының электрлік және геометриясын зерттеу үшін кең спектралды интервал мен жоғарғы дәрежесі жеткілікті.

Тек қана айналмалы ауысуда қолданудың кемшілігі газ тәрізді күйде орналасқан заттардың спектрін алу саналады. Соған орай зерттелінетін молекулалар негізгі күйде тұрақты диполь моменті болуы тиіс.Негізгі тербелмелі спектрді (немесе тербелмелі - айналмалы) тіркеу мен талдау болып саналатын инфрақызыл спектроскопияның жұтылатын және шағылатын молекулалар спектрін зерттеу ең басты мақсаты. Тербелмелі және айналмалы спектрлерді зерттеу кезінде абсорбционды спектроскопия әдісі қолданылады. Үлкен аймақта өзгеретін температура мен қысым, көрінетін спектроскопияның аймағында боялған мөлдір емес және әр түрлі агрегаттық күйде орналасып зерттелінетін заттың аз ғана көлемі жұтылатын спектрді алуға керек. Физика-химиялық зерттеудің барысында мұндай әр түрлілік шарт абсорбционды ИҚ - спектроскопияның маңызы зор екенін көрсетеді.

Әр түрлі инфрақызыл спектрометр көмегімен жұтылатын ИҚ-спектрді өлшеуге болады. Үздіксіз спектрі бар көзден шыққан сәуле зерттелінетін заттың кюветасы мен екі сәулелі құрал ішіндегі салыстырмалы ой еріткішінен өтеді де, монохроматодың кіретін тесігіне бағытталады. Жарық спектріне айналған монохроматордың дифракциялық торынан призма немесе шағылу арқылы өткеннен кейін λ арқылы сканерленіп, шығатын тесіктен сәулелену қабылдағышына түседі. Мұнда ол қабылданған оптикалық сигналды электрлікке ауыстырады және оны күшейткіш пен өлшенетін құралға жібереді. Екі сәулелену спектрометрде көмекші құрылғы көзделген (синхронды детектор, қуатты күшейткіш және түрлендіргіш, өзіндік жазу мен реттейтін механизм), ол ойдан шығатын жарық ағынын қозғалатын фотометрлік клин көмегімен реттейтін және спектр жазуын автоматтандырады. Жұтылатын спектр ерітіндісін жазу үшін екі сәулелі ИҚ-спектрометрді қолданады, осыған байланысты жұтылатын ерітіндіде автоматты түрде жұтатын еріткіш шығарылады.

ИҚ - спектрометр монохроматорында айналы оптикасы болады (параболалық пен сфералық айна). Эшелетта деп аталатын құрылғы призма және дифракциялық тор болып саналады. 10^-6 – 10^-4 м толқын ұзындығы аймағында әр түрлі материалдан жасалған призма, ал алыс инфрақызыл аймақта (10^-4-10^-3м) дифракциялық тор қолданылады.

ИҚ-спектроскопия көмегімен талданатын газ тәріздес заттар жұтылуы ұзын жолда болатын арнайы ойды талап етеді. Призма жасалған материал немесе ΑgCl, CaF₂, BaF₂ материалдарынан жасалған ой ішінде сұйықтықты зерттейді. Қатты денелердің жұтылған спектрін жазу үшін арнайы дайындалған әдісті талап етеді. Олардың біреуі, жіңішкелінген үлгіні парафин майымен аралас-тырады, хлор натриясы немесе басқа оптикалық материалдан жасал-ған пластиналар арасына жұқа қабатты түрде пастаны қояды. Басқа жиі кездесетін әдіс – бұл сілтілі металл галогенидін үлгінің бөлігімен араластыру оны көрінетін жіңішке диск шықанға дейін зерттейді.

Бугер – Ламберт –Бер заңына негізделген ерітіндідегі ИҚ – сәу-ле компоненттерін жұтқандағы оның құрамын сандық анықтау үшін ИҚ-спектрофотометрия қолданылады. ИҚ-спектроскопиясы жиі қолданатын аймағы қосылыстың идентификациясы мен молекулалық құрамын зерттейді.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №9. Масс – спектрлік талдау

Молекулалар және атомдардың ионизациясы. Ионизация әдістері. Масс – спектрометр. Масс-анализатор. Ионды токтарды тіркеу. Талдаудың масс–спектрлік әдісі – әр түрлі элементтердің иондар ағынының, саны мен оның құрамына кіретін, электростатикалық және магнит өрісінің әсерінен газ күйіне бөліну қабілетіне негізделген, атомдар мен молекулалардың массаларын анықтау жолымен затты зерттеу әдісі. Электрлік көлденең өрісте зарядталған бөлшектің траекториясының қисықтық радиусы оның энергиясына тура және өріс кернеулігіне кері пропорционал. Демек, электрлік өріс энергия бойынша анализатор ретінде әсер етеді де, бі-рақ иондарды масса бойынша бөле алмайды. Магниттік өрісте заряд бөлшектің траекториясының қисықтық радиусы қозғалыс көлемінің моментіне тура пропорционал және өріс кернеулігіне кері пропорцио-нал.Электрлік және магниттік өрісті түйістіріп,массаның зарядқа (m/e) қатынасы арқылы иондар шоғын талдауға болады. Бұл принципте масс-спектрометрлік деп аталатын құралдардың құрылуы негізделген.

Зерттелінетін зат ең алдымен ионизацияға ұшырайды. Заттың күйіне байланысты (қатты дене, сұйық, газ, органикалық қосылыс және т.б.) ионизацияның келесі әдістері қолданылады: электрлік соққымен ионизациялау, фотоионизация, күшті электрлік өрістегі ионизация, беттік ионизация, ұшқын разряд (вакуумды ұшқын), лазер-лік сәулелену әсерінен болатын ионизация. Элементтерді анықтайтын саны теріске қарағанда үш ретке жоғары оң иондарды жиі қолданады.

Масс-спектрометр құрамында зерттелінетін затты дайындауға арналған құрылғыдан құралған, олар: иондық көз, мұнда бұл зат бөлшекті иондалады және иондық шоқтың қалыптасуы болады; иондардың масса бойынша бөлінуі (немесе ион массасының оның заряды шамасы бойынша қатынасы) жүретін масс-анализатор; иондық ток күшейтілетін және тіркелетін электрлік сигнал болып қалыптасатын иондық қабылдағыш. Тіркеуші құрылғыға иондардың саны (иондық тоқ) жөнінде ақпараттан өзге, анализатордан иондардың массасы туралы ақпарат түседі. Сонымен қатар иондық көз бен анализаторда, жоғарғы вакуум құрушы және ұстаушы электрлік қорек пен құрылғы жүйесі бар, оны кейде ЭЕМ-мен қосады.

Масс-спектр иондық токтың иондық массадан тәуелді иондық шыңдарға ие графикті құрайды. Әрбір шыңның биіктігі анықталатын элементтерге пропорционал.Типі бойынша масс-анализаторлар стати-калық және динамикалық болып бөлінеді. Статикалық масс-ана-лизаторларға біртекті магниттік өрістер жатады. Динамикалыққа: ұш-палы-уақытты, радиожиілікті, квадрапольді, фарвитронды, омегатрон-ды, магнитті резонанстық, циклотронды-резонансты және т.б жатады.

Фотографиялық тіркеу кезінде спектрографтың көмегімен фотопластинкадағы спектр өзімен жолақ серияларын көрсетеді, олардың әрқайсысы иондық шоққа иондық массасының оның белгілі бір зарядқа қатынасына сәйкес келеді. Сызықтар сериясы m/e қатынасы азаю бағытымен орналасады және әр жолақтың интенсивтілігі 10 есеге азаяды. Сапалы талдау кезінде спектрдегі үлгі сызықтары (m/e) қатынасы бойынша идентификациялынады. Сандық талдау кезінде микрофотометрдің көмегімен фотопленкада иондармен пайда болған сызықтардың қараю дәрежесін өлшейді. Градустау графиктерін қолдану арқылы элементтердің концентрациясын анықтайды. Фотографиялық тіркеудің кемшілігіне талдаудың ұзақтылығы жатады. Масс-спектрометрлік талдау әдісін метал-лургиялық зауыттарда төменгі құрамды қоспаларды сондай-ақ газ тәрізді және сұйық - ұшпалы өнімдерді анықтау мақсаттарында қолданады, мысалы, атмосфераға шығарылатын булар мен газдарды қадағалауда.

Рентгенді спектрлік талдау. Эмиссиялық, аймақтық (микрорентгенді спектрлік), флуорес-центрлік, абсорбциялық әдістер.

Рентгенді спектрлер әртүрлі заттардағы жеке элементтер құрамын анықтау үшін кеңінен қолданылады. Рентгенді спектрлік талдау химиялық әдістерге қарағанда үлгі құрамын анықтауды тездетуге және қажетті дәлдікті қамтамассыз етуге мүмкіндік береді.

Оптикалық спектрлік талдаумен салыстырғанда рентгенді спектрлік талдау артықшылықтарының қатарына рентгенді спектрлер аз сызықтардан тұратындығы; ішкі серия (К және L) сызықтарының өзара орналасуы барлық элементтерде дерлік бірдей; сипатталатын спектрдің толқын ұзындығы элементтің реттік номерінен тәуелді болуы жатады (Мозли заңы бойынша).

Рентгенді спектрлік талдаудың сенімділігі басқа аналогты әдістер сенімділігінен аз емес. Сезгіштігі жеткілікті жоғары элементтің минимал құрамы берілген аналогты әдіспен анықталады; ол рентгенді спектрлік талдау әдісінен және ауыр элементтерден жеңіл элементтерге көшу кезінде азаяды. Әдетте талдаудың сезгіштігі 0,1 - 0,001% құрайды, бірақ кейбір қолайлы жағдайларда 10^-5 - 10^-6 % сезгіштік табалдырығын алу мүмкіндігі болады. Қазіргі кезге дейін жеңіл элементтердің рентгенді спектрлік талдауды қолдану аймағы Z>11 атомдық номерімен шектелген. Енді берилий (Z = 4) және тіпті литийдің (Z = 3) құрамын талдауға мүмкіндік беретін құралдар бар.

Рентгенді спектрлік талдаудың кемшілігіне құралдың күрделілігі мен оның жоғары бағасын жатқызуға болады. Рентгенді спектрлік талдаудың үш түрлі әдісі бар: 1) эмиссиялық (бірінші сипат-тамалы спектрлер бойынша); 2) абсорбциялық (жұтылу спектрлері бойынша); флуроцентрлік (екінші сипаттамалы спектрлер бойынша).

Эмиссиялық әдіс. Бұл әдіспен рентгендік трубканың анодына орналастырған заттың спектрін зерттейді Затты электрондар шоқтарымен атқылағанда бірінші сипаттамалы сәулелену пайда болады. Ол саңылаудан өткен соң кристалдың (спектрограф немесе спектрометр) көмегімен спектрлерге ыдырайды және фотопленкада есептеуіш көмегімен тіркеледі. Сандық талдауды сыртқы және ішкі стандарттар әдісімен жүргізеді. Эмиссиялық әдіс жоғарғы сезімталдыққа 0,1-00,1% ие. Бірінші спектрлер бойынша сандық талдаудың қателігі анықталатын элементтің 2-5% құрайды. Бұл әдіспен зерттеу кезінде зерттелетін затты қыздырады, сондықтан тез жанғыш заттар талдауы, мысалы, күкірт пен селенді талдау қиындық тудырады.

Абсорбциялық әдіс. Бұл әдісті көбінесе сұйықтықтардағы салыстырмалы ауыр қоспаларды анықтауда қолданылады. Сұйықтықтарды рентгендік сәулелерді төмен жұтылу коэффициентті материалдан жасалған ойларға орналастырады (мысалы, плегсигланнан). Ой арқылы өткен рентгендік сәулелер шоқтарын спектрге ыдыратады. Талдау кезінде зат арқылы сәулелер өткендегі спектрдегі интенсивтіліктің өзгерісі зерттеледі. Талдаудың екі түрі бар: үзіліссіз спектрді жұтылу және сипаттамалы спектрді жұтылу әдісі. Абсорбциялық әдіс салыстырмалы төмен сезімталдыққа - 0,5-0,15% ие. Сандық талдаудың қателігі 10-5% құрайды.

Флуоресцентрлік әдіс. Флуоресцентрлік әдіс пен зерттеуде затты күшті рентгендік трубка анодына жақын жерге орналастырады. Трубкадан шығатын бірінші сәулелену зерттелетін заттың екінші сипаттамалы сәулесін қоздырады. Бұл сәулелену Соллер саңылауының көмегімен белгіленген параллельді шоқпен кристалға түседі де, кристал оны спектрге ыдыратады. Спектр әдетте газ разрядты немесе және сцинтилляциялық есептегіш көмегімен тіркеледі. Фотографиялық әдіс екінші ретті спектрлер интенсивтілігінің аздығынан қолданылмайды. Зерттелетін зат рентгендік трубкадан өзге жерде орналасқандықтан, талдауды жүргізуге жіберетін уақыт оптикалық талдау әдісімен зерттеуге кететін уақыттан көп емес. Обьек зерттеу кезінде қызбайды, жеңіл жаңғыш заттарды зерттеу мүмкіндігі бар. РФТ үлгінің бұзылуынсыз немесе ыдырауынсыз (қатты дене, сұйықтық, газ) бір уақытта ішкі және сыртқы стандарт әдістерімен көптеген элементтер (24-ке дейін) құрамын зерттеуге мүмкіндік береді. Талдауды автоматты құрылғыларда – жоғары өтімділікке ие рентгендік спектрометрлерде [4, C.28-34, 38-42] және квантометрлерде жүргізуге болады. Бұл әдіс өте жоғары 0,04-0,0005%-ға тең сезімталдыққа ие. РФТ-да кең қолданысқа ие, жарық күшінде едәуір ұтыс беретін кристалсыз рентгенофлуоресцентрлік аппараттары кіші қуатты миниатюрлы рентгендік трубканы немесе радиоизотопты көздерді қолдануға мүмкіндік береді. Кристалсыз анализаторларда әдетте селективті есептеу және селективті фильтрлеу деген екі әдіс қолданылады.

Жалпы қабылдауды 0,2 — 0,02% сезгіштігінде, микроауданы, бар жоғы 0,3 — 2 мкм³ – ді құрайтын химиялық құрамды анықтауға мүмкіндік беретін микрорентгенді спектрлік талдау алды. Осындай талдауды өткізуге мүмкіндік беретін құралдар микроанализаторлар деп аталады.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №10. Резонансты әдістер

АМР және ЭМР әдістері. Ядролы магнитты резонанстық электронның парамагнитті резонансының физикалық әдісінің бастамасы.

Электронды парамагнитті резонанстың мәні, тұрақты магниттік өрісте электрондардың қосарланған спиндерінде құралады, олар радиожиілікті электромагнитті сәулеленуді жұтады. Зат туралы магниттік өрісте Н магниттік момент қосарланбаған электрон өріспен байланысады. Нәтижесінде электронда екі энергетикалық деңгей пайда болады. Е₀ Е₁ және Е₂ әр-түрлі энергиямен

Е₀= Е₂- Е₁= дМвН (9)

мұндағы д-Ланде факторымен спектроскопты ыдырау, электронның магниттік моментінің эффективті өлшемі.

Жиілігі магниттік өріспен бұл үлгіге әсер етсе және тура магниттік өріске перпендикуляр бағытталса, бұл шартта h=дМвН Е₁ деңгейдегі электрондар h энергиясын резонансты жұтады және Е₂ деңгейіне өтеді. Кері электрондар өткенде олардың жұмсалған энергиясы сәулелену болып бейнеленеді, жылулық тербелістерін күшейтеді.

Тура магнитті өрісте H кернеуін өзгертіп ауыспалы өрістің жиілігін ауыстырмай ЭПР спектрін алады. Энергия резонансының жұтылуы туралы магниттік өрісте дМвН пернеулігінің графигін салса, максимум қисығы шығады, абцис осіне проекциясы резонансты энергиясы туралы өрісте дМвН береді, ал биіктік энергия жұтылуының ауыспалы магниттік өрістегі шамасы жұтылудың интенсивтілігі үлгідегі парамагниттік бөлшектерге пропорционал. Заттың жұтылу энергиясының интенсивтілігін салыстырып, заттың концентрациясын анықтауға болады. Олардың саны биіктік максимумымен емес, көлемімен, ЭПР спектрінің алғашқы туындысы қисық жұтылуды магнит өрісінің кернеулігімен анықтайды.

Резонанстың шартын анықтайтын теңдеуде д-спектроскопиялық ыдырау факторы өзгереді. Сондықтан д-фактор заттың индивидуалды сипаттамасы болып табылады, жалғыз симметриялық сызық ЭПР интенсивтілігі бойынша сипатталады, ол енімен, магниттік өрісіндегі формасымен, д-факторымен анықталатын ЭПР спектріндегі бірнеше жолақтардан тұрады.

ЭПР спектрлерін радиоспектрометр және спектрометрдің көмегімен тіркейді.

Ядролы магниттік резонанстың мәні резонанстық жұтылу электромагниттік толқындар заттарымен тура магниттік өрістегі ядролық магнетизінің жұтылумен дәлелденеді.

Ядролық магнетизм атомның ядролық құрамы бойынша дәлелденеді. Нәтижесі спин, протон мен нейтронның спиндерімен анықталады.

Ядро сипаттайтын J=½, ЯМР спектрін алуға қолайлы үлкен мәндерден және оның магниттік моментінен атом ядросын, М магниттік моментімен кернеулігі Н магниттік өріске қойсақ, онда момент векторы күш жолақтарын жағалай қоршайды, ішкі өрістің бағыты Н бұрышының жылдамдығы v₀, жиілігі ішкі кернеудің магниттік өрісі Н-ге қатынасы v₀.

Резонанс шартын құру үшін ядроны перпендикуляр әлсіз электромагнитті өріспен қоршайды, тербеліс жиілігі ν₁ және кернеулігі Н₁, ν₀+ν_ν шартында Н₁ қозғалыс өрісі синхронды болып келеді, тұрақты кернеулік құбылысы пайда болады да, ядроның магниттік моменті алғашқы бағытқа қарама-қарсы лақтырылады. «Лақтыру» энергияны сигнал бойынша қабылданады. Бұл құбылыс ЯМР әдісінің негізі.

Магнит өрісіндегі 1 Тл жиілік ЭПР ауысуға қажетті д=2, 28000 МГц құрайды, протондық магниттің резонасына сәйкес 42МГц жиілік болады. Магниттік өрісте кернеулігі 0,32 Тл ЭПР ауысуына орнықты жиілік (9000МГц). Бұл әр түрлі мәнді ЯМР және ЭПР, әр түрлі инструментальды сипаттамаларға ие.

ЯМР-ны бақылауға арналған құрылғы: жоғары жиілікті индуктивті катушкаға ампуланы қоямыз, ол жоғарғы жиілікті айналмалы Н₁ өрісін тудырады. Үлгідегі катушка электромагниттік полюспен кернеулігі Н өрісіне, жиілігі ν₀ өзгерсе ν₀+ν_ν шартына қол жеткізуге болады және ол контурда тіркеледі. Бұл сигнал электрондық құрылғымен күшейтіледі және осцилографқа дәл, экранда қисық резонансты жұтылуды көрсетеді.,

Мессбауэровты спектроскопия. Әдістің теоретикалық негіздері және жалпы сипаттамасы. Мессбауэровты спектроскопия - ядроның электрлік және магниттік өрістермен қатынасын зерттеу әдісі. Мессбауэр эффектісі ядроның энергетикалық деңгейін ыдыратуын тудырады. Мұндай қатынастардың энергиясы 10 эВ тұрақты мессбауэровты жолақтың өте жіңішке құрылымы жолақтың кіші енінің көмегімен байқалады. Бұл үшін Доплер эффектісі қолданылады. R-сәулеленуіне v жылдамдығы хабарланып отырады, бұл жағдайда r квант энергиясы Е=E₀U шамаға тең. v жылдамдық 0,1-1,0 см/с интервалда жолақтың орнын алуына әкеп соқтырады. Мессбауэровты спекрометрмен γ- кванттық резонастық жұтылудың жылдамдық бойынша тәуелділігін өлшейді, онда максимум жұтылу байқалады. Атомды ядроның ерекше типіне ядролық емес өрістерге электрлік моноролье, электрлік квадрополь және магнит диопольдің өзара байланысуы жатады.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №11. Электронды - оптикалық әдістер. Негізгі электронды микроскоп. Электронды микроскоптың түрлері.

Қатты денелер бетін микроскопиялық зерттеу әдістері. Оптикалық, электрондық және иондық микроскоптарды салыстыру электронды оптикалық теориясының негізі (Контрасттың пайда болу принципі). Ажырату қабілеті.

Қатты денелердің бетін бөлшектеп зерттеу үшін әртүрлі көптеген әдістер бар. 2 – кестеде бетті зерттеудің әр түрлі микро-скопиялық әдістерінің салыстырмалы сипаттамалары келтірілген. Олардың алғашқы төртеуі фокусталған сәуле шоғының бөлшектеріне негізделген (фотондар, электрондар, иондар және т.б).

2 кесте - Қатты денелердің бетін зерттеудің әр түрлі микроскопиялық әдістерінің салыстырмалы сипаттамалары

Әдіс	Үлкейту	Жұмыс ортасы	Бейне өлшемділігі	Үлгіге әсері
Оптикалық микроскопия	103	ауа, сұйықтық	2D	бұзбайтын
Лазерлік сканирлеу	104	ауа	2D	бұзбайтын
Сканирлеуші электронды микроскоп	106	вакуум	2D	ажырату
Иондық микроскоп	109	вакуум	2D	ажырату
Сканирлеуші зондтық микроскоп	109	вакуум, ауа, сұйықтық	3D	бұзбайтын

Микроскоптың ажырату күші немесе ажырату қабілеті деп шектік ажырату қашықтықтығына кері шаманы айтады. Шектік ажырату қашықтығы дегеніміз – бұл екі нүкте арасындағы ең аз қашықтық, олардың ажыратылған бейнесі микроскопта алынуы мүмкін.

Мөлдірлі электронды микроскоп және растрлы электронды микроскоп.

Электрон шоқтарының фокустелуінің негізгі принциптері. Конт-раст және ажырату. Көріністердің табиғаты мен интерпретациясы.

Электронды микроскоптар ішінде екі оптикалық сұлба, яғни сәйкесінше екі әр түрлі электронды микроскоп орын алады. Электр шоқтары үшін мөлдір, жұқа үлгілерді зерттеуде мөлдірлі электронды микроскоп қолданылады (МЭМ). «Массивті» (3см-ге дейін) объектілерді зерттеуде шағылдыратын растрлы электронды мик-роскоптар қолданылады (РЭМ). Мөлдірлі электронды микроскопия Жарықтанылған электрондық микроскоптың бұзып өтетін эффектісінің негізі және электрондардың шашырау серпімділігі. Растрлы және шағылу электронды микроскоптың тағы бір екінші құрамын қолдана алады - ол шағылған және жұтылған электрондар.

Мөлдірлі электронды микроскоп (МЭМ). Өтпелі сәулелерді зерттеу үшін арналған электронды микроскоптың оптикалық сұлбасы сәулелі проекционды микроскоп сұлбасымен ұқсас болып келеді. Тек қана электронды микроскопта сәулелі микроскоптың барлық оптикалық элементтеріне сәйкес электромагниттілермен алмастырылады. Жарық көзінің қызметін электр тогымен қызды-рылатын вольфрамдық қыл атқарады. Басқарушы винельт-электрод көмегімен пайда болатын электрондар бұлтын жіңішке шоққа түрлендіреді. Кейін қыздыру қылы мен анод аралығында орнатылған электрондар шоғы электрлік өріспен үдетіледі (100кв-тан n мв-қа дейін). Анод центрінде одан болашақта кескін пайда болатындай қолданылатын электрондар өтетін тесік бар. Микроскоптың бұл бөлігі электронды зеңбірек атына ие болды. Зеңбіректен атып шыққан электрондар конденсирленген линза өрісіне түседі. Ол олардың траекториясын арнайы дайындалған зерттелінетін объектіге параллель шоқ ретінде түсуге құрастырады. Қазіргі электронды микроскоптарды әдетте бірлік линзалар орнына екі немесе одан көп линза блоктарын қолданады. Бұл диаметрі 1,5 мк-ге дейін қысылатын электрондар шоғын дұрыс басқаруға және қисықтықты төмендетуге мүмкіндік береді.Үлгінің әр түрлі аумағы, оның қалыңдығы мен тығыздығына тәуелді оларға түсетін электрондарды әр түрлі шашыратады және өткізеді. Объективті линзаны өткен соң экранда объектті өту барысында, салыстырмалы кіші бұрыштарға ауытқыған электрондар ғана фокусталады. Нәтижесінде экрандағы осындай аумақтар микроскоптың төменгі бөлігінде ақшылт болып орналасады. Егер электрондар объекттен өткенде үлкен бұрыштарға ауытқыса, онда «апертурлы» диафрагмалы объектте бөгеліп, сәйкесінше бұл экран бөліктері қара болады. Көру аймағын шектейтін диафрагма арқылы өткен электрондар, проекционды және аралық линза магнит өрістерінде фокусталады да экранда қорытынды объект кескіні пайда болады. Үлгі бетіндегі морфологияны байқаудан басқа, мөлдірлі электронды микроскоп дифракционды режимде осы үлгіде бар кристалдардың құрылымдық сипаттамаларын алуға мүмкіндік береді.

Растрлы электронды микроскоп (РЭМ). Бұл микроскоп объект шоғы үшін «толық» мөлдір емес электрондарды зерттеуге арналған. Оның оптикалық сұлбасы негізінен шағылдырушы оптикалық микроскоп схемасына аналогты болып келеді.РЭМ мөлдірлі электронды микроскоп блоктарымен аналогты блоктардан құралған, олар: жарықтандырғыш, оптикалық жүйе, тіркеуші құрал; вакуумды, электронды шоқ және алынған нәтижелерді тіркеу жүйесі деген сияқты қосымша жүйелердің бар болуы. Растрлы микроскоп-тардағы электронды шоқ статисті болмағандықтан белгілі бір аудан-нан өтеді. Шоқтың бұрылуын басқарушы ауытқушы жүйесі теледидар кинескопындағы ауытқушы пластиналарымен аналогты (немесе ком-пьютер мониторындағы). Үлгі бетіне түсіп, ол оның бетінен электрон-дарды шығарып тастайды (шоққа қатысты екінші ретті). Тіркеу жүйесі (детектор) екінші ретті сәулеленуді ұстайды, іріктейді (энергиясы мен шашырау бұрышы бойынша) және жинақтайды. Сонымен, экранның жарықтылығы, ол өз кезегінде зерттелетін беттің күйімен сипатта-латын тіркеуші жүйеге түскен екінші ретті электрон сандарынан тә-уелді болады. Әр түрлі кристал үлгілері, әр түрлі түйіндер әр түрлі екінші ретті эмиссия коэффициенттеріне ие болады. Яғни екінші ретті электронды сәуле шығарады, олай болса оларға кинескоп экранының әр түрлі жарықтылығы сәйкес келеді.

Бұл жағдайда, киноскоптың экранда үлгі бетінің көрінісі пайда болады. Энергия бойынша анықталған электрондар саны, уақыт өлшемі бойынша жинақталған, компьютердің көмегімен эталондар-дың мәліметтері қойылады, осылайша сапалы және сандық талдаулар жүргізіледі. Объектінің белгіленген бөлігіндегі элементтің құрамын сұлба, график немесе морфологиялық түсірілім түрінде алуға болады. Растрлы микроскоппен берілетін үлкейту кинескоп сәулесінің ампли-тудасының микроскоп сәулесінің амплитудасына қатынасымен анықталады. Екі амплитуданың шамалары туынды түрінде таңдалы-нылатын болғандықтан, микросоптың беретін үлкейтуі қан-шалықты үлкен болғанынша үлкен бола алады. Бірақ бірнеше рет ай-тылғандай жұмыс оның үлкейтушілігінде емес, оның ажырату қабі-леттілігінде. Растрлы микроскоптың ажырату қабілеті микроскоптың электронды шоқтық қимасымен анықталады, ал қазіргі уақытта растрлы микроскопттың ажырату қабілеттілігі 20 мк дейін жетеді.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №12. Сканирлеуші зонтты микроскоп.

Сканирлеуші зонтты микроскоптың жұмыс істеу принципі (СЗМ). Туннельдік және күштік сенсор. Сканирлеуші туннельдік микроскопия. Құрылғы және оның жұмыс істеу принциптері. Сканирлеу тәртібі. Атомды-күштік микроскопия. Атомды-күштік сенсордың жұмыс істеу принципі. АКМ зондының құрылғысы. АКМ зонды мен қатты дене бетінің өзара әсерлесуі, Вандер – Вальс күші. Контилевердің ауытқуын тіркеу әдісі.

Сканирлеуші зонтты микроскоптың жұмыс істеу принципі келесіге негізделген. Позиционарды жүйенің көмегімен өлшенілетін зонды зерттелуші үлгінің жоғарғы бетіне келтіріледі. Үлгі мен зондтың арақашықтығы жүзшақты нм-ден жақындағанда соңғысы талдаудан өтетін беттің құрылымымен әрекеттесе бастайды. Үлгі беті бойымен зондтың орын ауыстыруы беттің сканирленуін зонд инелерімен қамтамассыз ететін сканирлеуші құрылғы көмегімен жүзеге асады. Зондтың орналасу датчигі, зондтың үлгімен салыстырғандағы позициясын үзіліссіз бақылайды және қайтымды байланыс жүйесі арқылы ондағы мәндерді сканер қозғалысын басқаратын компьютерлік жүйеге жібереді. Зонд пен беттің өзара әсерлесу күшін тіркеу үшін әдетте, зонд ұшынан шағылған жартылай өткізгіш лазері шоғының ауытқуына негізделген әдісті қолданады. Компьютерлік жүйе сканерді басқарудан басқа бетті зерттеу нәтижелерін көрсету мен талдау, зондтан алынған мәндерді сұрыптау қызметін атқарады.

СЗМ-тың бірінші протатипі сканирлеуші туннельдік микроскоп болды. СТМ-да зонд ретінде серпімді консолиге орнатылған өткір өткізгіш іне қолданылады. Үлгі немесе иненің арасына тығысу кернеуі орналастырса, онда өткір иненің үлгіге 1нм қашықтығында жақындауы кезінде, олардың арасында шамасы «ине-үлгі» қашықтығынан, ал бағыты – кернеу полярлығынан тәуелді туннельдік ток пайда болады. Ине үшкірін зерттелетін беттен алыстатқанда туннельдік тоқ - азаяды, ал жақындатқанда - артады. Осылайша, беттің қандай да көп нүктелерінде туннельдік ток жөнінде мәліметтерді қолдана отырып, бет топографиясының бейнесін құруға болады. Туннельдік тоқты немесе бет пен ине аралығындағы қашықтықты, өлшенетін параметрге тәуелді, сканирлеуші туннельдік микроскоптың екі жұмыс істеу тәртібі мүмкін, олар: жоғары тұрақты және тұрақты тоқ тәртібі. Жоғары сезгіштікке ие сканирлеуші тунне-льдік микроскоптар адамзатқа жартылай өткізгіштер мен өткізгіш-тердің атомдарын көруге мүмкіндік берді. Бірақ конструктивті шектеу күшіне байланысты, СТМ-де өткізбейтін материалдардың бейнесін алу мүмкін емес. Сонымен қатар, туннельдік микроскопты сапалы жұмысы үшін қатаң шарттарды орындау қажет, оның ішінде үлгіні арнайы дайындау мен вакуумда жұмыс істеу.

Жаңа атомды-күштік микроскоп (АКМ) өзінің алдынғысына қарағанда шектеулерді айналып өтті. АКМ көмегімен атмосфералық шарттарда өткізгіш және де өткізгіш емес материалдар бетінің атомды ажырату беттік бейнесін алуға мүмкіндік берді. Атомды-күштік микроскоптың қосымша артықшылығына. беттің топографиялық өлшемдерімен қатар, оларды электрлік, магниттік, серпімді және т.б. қасиеттері бойынша визуалдауға мүмкіндік береді. Атомды-күштік микроскоп жұмысы негізінде зонд пен беттің өзара әсерлесудің әр түрлі күштік түрлерін қолдану жатыр. Зонд пен беттің өзара әсерлесу күші қысқа әсерлі және ұзақ әсерлі болып бөлінеді. Қысқа әсерлі күштер 1-10 А ретті қашықтықтықта ине ұшы мен беттің атомда-рының электрондық қабыршағын жапқанда пайда болады және қашықтық үлкейген сайын тез төмендейді. Беттің атомдарымен қысқа әсерлесуге ине ұшының (шегінде бір) бірнеше атомдары ғана қатысады. Бұл күштер түрі көмегімен бет бейнесін алуда АКМ контакт тәртібінде жұмыс істейді.

Ұзақ әсерлі күштердің пайда болуы ван-дер-ваальстік, электростатикалық немесе магниттік өзара әсерлесуге негізделген. Мұндай күштер қашықтықтан өте аз тәуелділікпен сипатталады және үлгі бірліктен бірнеше мың ангстремге дейін ине тесігінің шамасында көрінеді. Сәйкесінше, ұзақ әсерлесудің оның салыстырмалы төмендеу күшіне өзара әсері қашықтық үлкейген сайын зондтың ине ұшын тудыратын мәнді атомдар санын кірістіреді. Ұзақ әсерлі күштерді бетті зерттеуде қолдану контаксыз тәртіпте өтеді.

Контактты және контактсыздық арасындағы аралық орын сканирлеу процесіндегі иненің бетпен периодтты қысқа мерзімді кон-такт тәртібін, басқаша «соқтығысып тұру» (tapping mode) деп атала-тын режимін алады. Бұл тәртіпте консоль резонансты өздік жиілігінде жоғары 50-100 нм ретті амплитудада тербеледі. Консолидің тепе-теңдік күйден төмен максимал ауытқуында осындай амплитудаларда ине бетпен жақындасқанда оның тербелісінің амплитудасын, фазасын және жиілігін өзгертеді. “Соқтығысу” тәртібі контакті тәртіпке қара-ғанда горизонтты жазықтықта жоғары ажыратумен сипатталады.

АКМ топографиялық бейнені алуға, беттердің бүдірін өлшеуге, атомды ажыратуы бар әр түрлі органикалық және биологиялық объектілерді зерттеуге қолданылатын қуатты метрологикалық құрал.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №13. Материалдардың механикалық қасиеттерін анықтаудың тәсілдері

Машиналардың және аспаптардың тетіктері әр түрлі пішіндерімен, өлшемдерімен және пайдалану жағдайымен сипатталады. Оларға әр түрлі күштер түседі, төменгі және жоғарғы температураларда және әр түрлі қоршаған ортада жұмыс істейді. Осының бәрі материалға қойылатын талапты анықтайды. Қойылатын талаптар мынандай: пайдалану, технологиялық және экономикалық.

Пайдаланатын талаптарда аса маңызды мән бар. Материал өзінің функциональды белгіленуін орындау қажет, яғни механикалық және физикалық сипатаманың белгілі бір мәндеріне ие болуы керек. Осы мәндер пайдаланудың барлық кезеңінде қолданылатын жұмысшы ортада және температураның жұмысшы аралығында рұқсат етілетін шекте сақталынуы қажет. Пайдалану жағдайында материалдың сенімді және ұзақ жұмыс істеуін қамтамасыз ететін механикалық қасиеттердің кешендері құрылымдық беріктік деп аталады.

Технологиялық талаптар (материалдың технологиялығы) тетікті және құрылымды жасаудың ең кішкентай еңбек сыйымдылығын қамтамасыз етуге бағытталған. Материалдың технологиялығын оны өңдеудің барлық мүмкін болатын тәсілдері сипаттайды. Материалдың технологиялығынан өнімділік және тетікті жасаудың сапасы тәулді болады.

Экономикалық талаптар материалдың және одан жасалынатын бұйымның бәсекеге түсу қабілеттілігін қамтамасыз етуге бағытталған. Материалды пайдалануға қоятын түтынушының талаптары біріншіден орындалуы керек, екіншіден оның бағасы төмен болуы қажет. Технологиялық және экономикалық талаптар массалы өндірісте ерекше мәнді алады.

Материалдың құрылымдық беріктігі өзіне беріктіктің, сенімділіктің және ұзақ тұрақтылықтың үйлесімді құрылымдық белгісін қосатын материалдың кешенді сипаттамасы болып саналады. Беріктіктің белгісі ретінде пайдалану жағдайында беріктікті толық бейнелей алатын сынаумен анықталатын механикалық сипаттамалар таңдалады. Берік белгісінің мысалдары мынандай: уақытша кедергі σ_В; шартты ағым шегі σ_0,2; серпімділік модулі Е; төзімділік шегі σ_-1.

Сенімділік – морт қирауға қарсы тұруға арналған материалдың қасиеті. Есептелген кернеулерден кішкентай кернеулерде үлкен жылдамдықпен өтіп, апаттық жағдайды тудыратын болғандықтан морт қирауды ерекше қауіпті деп санайды. Бұйымды пайдаланған жағдайда оған әсер етіп морт қираудың қауіптілігін үлкейтетін мынандай факторлар: пішіні әр түрлі кернеу шоғырландырғыштар (кертіктер, сызаттар және микросызаттар), температураның төмендеуі, динамикалық күштер, тетіктердің өлшемдерін үлкейту (масштаб факторы). Сенімділік белгісінің мысалдары болып мыналар саналады: үзілгеннен кейінгі салыстырмалы ұзару δ; үзілгеннен кейінгі салыстырмалы тарылу ψ; соққы тұтқырлығы КСТ, КСV, КСU; қирау тұтқырлығы К_1с; суықта сынғыштықтың температуралық табалдырығы t₅₀.

Ұзақ тұрақтылық – тетіктің жұмысқа қабілеттілігін (қорын) берілген уақыт ішінде қамтамасыз етіп, біртіндеп қираудың (біртіндеп тоқтаудың) дамуына материалдың кедергі жасай алу қасиеті. Біртіндеп қираудың (біртіндеп тоқтаудың) мынандай әр түрлі себептері бар: қажу, тозу, жылжыпсырғымалылық, жегіде, радиациялық ісіну және т.б. Осы процестер тетіктерді пайдаланған кезде материалда кері қайтпайтын өзгерулерді біртіндеп жинап тетікті қирауға алып келеді. Материалдың ұзақ тұрақтылығын қамтамасыз ету деп осы материалдың қирау жылдамдығын керекті мәнге дейін азайтуды айтамыз. Машиналардың көптеген тетіктері үшін ұзақ тұрақтылық, олар жасалған материалдың қажып қирауымен (циклдық ұзақ тұрақтылығымен) немесе тозуға кедергісімен (тозуға төзімділігімен) анықталады.

Құрылымдық беріктікті жоғарылатуға металлургиялық, технологиялық, және құрылымдық тәсілдермен жетуге болады. Металлургиялық тәсілдер химиялық және фазалық құрамды басқаруға мүмкіндік береді. Осы материалдың кристалдық торына, түйіршіктік және ақаулық құрылымына әсер етеді. Технологиялық тәсілдер химиялық элементтердің, фазалардың және ақаулардың таралуын реттеуге, түйіршіктердің керекті өлшемі мен пішінін алуға, белгілі бір ақаулы құрылымды жасауға мүмкіндік береді. Құрылымдық тәсілдер тетіктер бойынша және тетіктер арасында күшті біркелкі таратуға мүмкіндік береді.

Жалпы жағдайда материалдың құрылымдық беріктігіне 9.24 – суретінде көрсетілген бір қатар факторлар әсер етеді.

Сонымен, құрылымдық беріктік құрылымдық және технологиялық факторлармен анықталады. Құрылымдық және технологиялық факторларға жасаушы және бұйымды пайдалану жағдайы жауап береді. Осы факторлар техникалық шартқа сәйкесті болуы қажет.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №14. Механикалық қасиетті статикалық сынау

Статикалық сынаған кезде күш үлгілікке салыстырмалы бәсең түсіріліп, ақырын көтеріледі. Статикалық сынауларға мыналар жатады: созылуға сынау; бұрауға сынау; июге сынау; қысуға сынау; жылжып сырғымалылыққа сынау.

Созылуға сынау – металл мен қорытпалардың маңызды беріктіктік, серпімділіктік және илемділіктік қасиеттерін анықтауға мүмкіндік беретін негізгі және ең қатаң сынаудың түрі.

Бұрауға сынауды жеткілікті кең илемді және аз илемді металдар мен қорытпалардың қасиетін бағалағанда қолданады. Мысалы, келесі жағдайларда қолданады:

• шыныққан құрылымдық (созғанда және игенде морт сынатын) және аспаптық болаттардың илемділігін бағалаған жағдайда;

• созған кезде мойынақ пайда болатын жоғары илемді металдар мен қорытпалардың илемділігі мен тұтқырлығын бағалаған кезде;

• қирау түрін анық ажырату керек болған жағдайда (қиылу немесе жұлыну);

• жоғары температурада ағудың қисық сызығын алу үшін;

• ыстықтай деформацияланатындығын анықтау үшін;

• технологиялық сынауды жүргізген кезде.

Июге сынауды морт материалдарды (шойын, қаттылығы жоғары шыныққан және босатылған болаттарды) иген кезде, олардың беріктігін анықтау үшін және ағым қисық сызығын алу үшін қолданады. Сынауды жүргізген кезде дөңгелек және тік бұрышты (квадратты) қимасы бар үлгіліктер қолданылады. Тар үлгілікті иген кезде бір осьті созудан бір осьті қысуға дейін өзгеретін бір текті емес кернеу күйі пайда болады.

Қысу «жұмсақ» сынаудың түрлерінің бірі (созатын көлденең кернеудің аз қатысуымен немесе тіпті созатын кернеудің қатысуынсыз). Қысуға сынауды созғанда морт сынатын материалдарды (шойын және басқа құйылған материалдар) сынағанда қолданған дұрыс. Айтылған сынауды қолданғанда жиі цилиндрлік пішіні бар үлгіліктерді қолданады. Сынағанда үлгіліктің бүйір жағында пайда болатын үйкеліс сынаудың нәтижесіне едәуір әсер етеді. Сондықтан алынған нәтижелерді шартты деп санау қажет. Өйткені олар үлгіліктің өлшемінен және оның бүйірлік жағының күйінен тәуелді болады.

Ұзақ беріктікке және жылжып сырғымалылыққа сынауды тұрақты температурада тұрақты созатын күшпен үлгіліктің деформациясын уақытпен өлшеп жүргізіледі. Осы сынаулар материалдың жылжып сырғымалылық шегін анықтауға мүмкіндік береді, яғни берілген температурада белгілі бір уақыт аралығында жылжып сырғымалылықтың жылдамдығын немесе деформациясын жылжып сырғымалылық қисық сызығының түзу сызықты бөліміндегі берілген мөлшерден үлкен болғызбайтын кернеуді анықтауға мүмкіндік береді.

Ұзақ беріктік – жоғары температурадағы кернеулі күйде ұзақ уақыт болатын материалдың беріктігі. Айтылған ұзақ беріктік мынандай ұзақ беріктік шегімен сипатталады: берілген температурада материалды белгілі бір уақыт ішінде қирауға алып келетін кернеу. Ұзақ беріктік шегін жиі материалды жоғары температурада созуға сынаумен алады. Көптеген материалдардың ұзақ беріктігі температура жоғарылаған сайын азаяды. Қызуға төзімділікпен бірге жылжып сырғымалылыққа кедергі және ұзақ беріктік отқа төзімді қорытпаны таңдаған кезде маңызды сипаттамалар болып саналады. Қызуға төзімділік деп қорытпаның жоғары температурада газдық жегідеге кедергі жасай алу мүмкіншілігін айтады.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.

Дәріс №15. Механикалық қасиетті динамикалық сынау

Динамикалық сынау деп машина қарпығыштарының қозғалу жылдамдығы 10 мм/мин және одан да жоғары болатын немесе соғумен күшті түсіретін сынаудың бір түрін айтады. Осындай күш түсірудің жылдамдықтарында мыналар анықталуы мүмкін: созғандағы (немесе қысқандағы) динамикалық қасиеттер; қираудың динамикалық тұтқырлығының параметрлері; игендегі соққы тұтқырлығы және сызаттың туындауы және оның таралуы жұмыстары сияқты игендегі соққы тұтқырлығының құрастырушылары. Металдардың динамикалық сынауын мыналарды анықтау үшін жүргізеді: морт қираудың пайда болу жағдайын анықтау үшін (кері қайтатын және қайтпайтын босату морттығы, суықта сыңғыштық, көгілдір сыңғыштық және т.б.); жоғары деформациялау жылдамдығы жағдайында материалдардың жүріс-тұрысын бағалау үшін; түйіршіктер өлшемдерінің өзгеруімен, дисперсті фазалардың түсуімен, флокендердің пайда болуымен байланысты материалдардағы құрылымдық өзгерістерді айқындау үшін және т.б.

Болаттың көгілдір сыңғыштығы деп 200 – 400 ^оС температурасында байқалатын, құбылмалы көгілдір түсті құратын және бір мезгілде болаттардың беріктігін жоғарылатып, илемділігін және соққы тұтқырлығын төмендететін процесті айтады.

Босату морттығы деп – термиялық өңдеген кезде (босату) мартенситтің біркелкі емес ыдырауының (кері қайытпайтын немесе 1 түрі) немесе түйірлер аралық шекараларды қоспалармен байытудың (қайтатын немесе 2 түрі) нәтижесінде металдық қорытпаның алатын мрттылығын айтады.

Флокендер деп болатта сутегі ерудің нәтижесінде пайда болатын және оның үлгілігінің омырығына дақ сияқты түрді беретін сопақ немесе дөңгелек пішінді жұқа ішкі сызаттарды айтады.

Динамикалық сынаудың негізгі түрі болып ию жағдайында кертікті үлгілікке соққымен күш түсіру саналады. Үлгіліктің деформациясы мен қирауы сынау жабдығы тілінің бірінші потенциальды энергиясы есебінен толық жүреді. Бұл белгілі дәрежеде соққымен сынаудың кемшілігі болып саналады. Өйткені көптеген нақтылы жағдайларда нақтылы тетіктерге қирауға дейін тұрақты күш түседі. Бірақта тетіктерді пайдаланған кезде оларға соққымен күш түсетін де мысалдар бар (мысалы, жол машинасы тетіктері). Сонымен бірге, соққымен сынау жеткілікті жақсы дәрежеде металдың көптеген морттық күйін айқындауға мүмкіндік беретіндігін тәжірибелер көрсеткен. Осы морттық күйлерге тетікті пайдаланғанда пайда болатын қираудың көп емес авариялы жағдайлары келеді.

Соққы тұтқырлығына сынау, қирауды есептегенде тікелей қолдануға болатын сандық мәндерді бермейді. Бірақта оларды пайдаланып материалдардың сапа деңгейін және сенімділік дәрежесін бағалауға болады. Осы себептен және соққы тұтқырлығына сынауды жүргізу өте қарапайым болғандықтан, металдың сапасын бағалауға қолданылатын сынаулардың ішінде айтылған сынау өте кең таралған деп санауға болады.

Ұсынылған әдебиеттер: Нег. 8 [13-28].

Бақылау сұрақтары

1. Пәннің мәні мен мақсаты.

2. Конструкторларды қалай әзірлейді?

3. Құрастыру әлiппесі не үшін керек?

4. Техниканың негiзгi тiлi дегеніміз не?

5 Бас конструктордың міндеттері.