Дифракційні методи досліджень наноматеріалів. Велика енциклопедія нафти та газу

Дифракційні методи- сукупність методів дослідження атомного
будови речовини, що використовують дифракцію пучка
фотонів, електронів або нейтронів, що розсіюється
досліджуваним об'єктом
Рентгеноструктурний аналіз дозволяє визначати
координати атомів у тривимірному просторі
кристалічних речовин
Газова електронографія визначають геометрію
вільних молекул у газах
Нейтронографія, в основі якої лежить розсіювання
нейтронів на ядрах атомів, на відміну перших двох
методів, де використовується розсіювання на електронних
оболонках,
Інші методи
2

Рентгеноструктурний аналіз

Рентгенографія

Рентгенографія

Дифракційна картина LaMnO3, отриманого золь-гель технологією, прожареного при Т = 900 С.

Рентгенограми матеріалів діоксиду титану, отриманих осадженням (1, 2) і золь-гель метом (3, 4), прожарених при 500 ⁰C (3), 600 ⁰C (2,4).

Наночастинки платини на вуглецевому носії, розмір – 4,2 нм

Нейтронографія

Тема: Кристалічний стан силікатних матеріалів. Методи вивчення структури кристалічних речовин. Основні правила побудови іонно-ковалентних структур.

Лекція №4.

1. Силікати у кристалічному сосотанні.

2. Методи вивчення структури кристалічних речовин.

3. Основні правила побудови іонно-ковалентних структур.

ДТА - диференціальний термічний аналіз

ТГ – термогравіметричний аналіз

До дифракційних методів дослідження структури відносяться рентгенографія, електронографія та нейтронографія. Методи засновані на використанні випромінювань з довжиною хвилі, порівнянної з відстанню між структурними елементами кристалів. Проходячи через кристал, промені дифрагують, дифракційна картина, що виникає, строго відповідає структурі досліджуваної речовини.

Метод дифракції рентгенівського випромінювання.

Розвиток рентгеноструктурного аналізу почався зі знаменитого досвіду М. Лауе (1912), який показав, що пучок рентгенівського випромінювання, проходячи
через кристал, відчуває дифракцію, причому симетрія, розподілу дифракційних максимумів відповідає симетрії
кристала. Дифракційні максимуми виникають у всіх напрямках, що відповідають основному закону рентгеноструктурного аналізу-рівнянню Вульфа - Брегга

Дифракційні методи можна умовно розділити на дві групи: 1) кут падіння променя на постійний кристал, а довжина випромінювання змінюється; 2) довжина хвилі стала, а кут падіння змінюється.

До методів першої групи відноситься метод Лауе, який полягає в тому, що рентгенівське поліхроматичне випромінювання прямує на нерухомий монокристал, за яким розташовується фотоплівка. З безлічі довжин хвиль, що у поліхроматичному випромінюванні, завжди знайдеться така хвиля, яка задовольняє умовам рівняння Вульфа - Брзгга. Метод Лауе дозволяє виявити симетрію кристала. До методів другої групи належать методи обертання монокристалу та полікристалічного зразка. У методі обертання монокристалу
монохроматичний промінь прямує на монокристал, що обертається навколо осі, нормальної напрямку променя. При цьому різні площини кристала потрапляють у положення, що відповідає умовам дифракції, що призводить до утворення відповідної дифракційної картини. Вимірюванням інтегральної інтенсивності та визначенням набору структурних амплітуд можна розшифрувати структуру кристала.

Під час вивчення полікристалічних матеріалів зразок висвітлюється монохроматичним випромінюванням. У багатьох довільно орієнтованих кристалів завжди знайдеться такий, орієнтування якого відповідає рівнянню Вульфа-Брегга. Відбитий промінь реєструється фотоспосіб (рис.2) або іонізаційними або сцинтиляційними лічильниками, сигнал через систему підсилювачів і перерахункових пристроїв подається на потенціометр, що записує криву розподілу інтенсивності (рис.3). За розташуванням дифракційних максимумів судять про геометрію решітки, а за їх інтенсивністю - про розподіл електронної щільності, тобто про ймовірність знаходження електронів у тій чи іншій точці кристала (рис. 4). Розподіл електронної щільності дає можливість визначати не тільки положення атомів у ґратах, а й тип хімічного зв'язку. Високотемпературні приставки до дифрактометрів дозволяють реєструвати поліморфні перетворення при нагріванні, стежити за твердофазовими реакціями.

Рентгенографія дає можливість вивчати дефекти в кристалах.

вихід променя; 4 - область малих кутів 9

Рис. 2. Зйомка рентгенограми полікристалічних зразків методом фотореєстрації:

Рис. 3. Рентгенограма кварцу, одержана на установці зі сцинтиляційним методом реєстрації

Метод дифракції електронів (електронографія).Метод ґрунтується на тому, що при взаємодії з електростатичним полем атомів відбувається розсіювання пучка електронів. На відміну від рентгенівського, електронне випромінювання може проникати лише на невелику глибину, тому досліджувані зразки повинні мати вигляд тонких плівок. За допомогою електронографії можна, крім визначення міжплощинних відстаней у кристалі, вивчати положення легких атомів у ґратах, чого не можна зробити за допомогою рентгенівського випромінювання, що слабко розсіюється легкими атомами.

Метод дифракції нейтронів. Для отримання пучка нейтронів необхідний атомний реактор, тому цей метод використовується порівняно рідко. При виході з реактора пучок значно ослаблений, тому необхідно використовувати широкий пучок і збільшувати розмір зразка. Перевагою методу є можливість визначення просторового становища атомів водню, що неможливо зробити іншими методами дифракції.

Рис. 4. Розподіл електронної щільності (о) та структура (б) кристала з ковалентним зв'язком (алмаз)

Мета роботи

Проведення якісного рентгеноструктурного аналізу.

Коротка теорія

Дифракційні методи дослідження є основним джерелом відомостей про атомарну структуру кристалів, що є, як відомо, правильною тривимірною періодичною послідовністю. Таку послідовність можна розглядати як дифракційну решітку для електромагнітного випромінювання, довжина якого можна порівняти з періодом цієї решітки (~10 -8 см). Такі довжини хвиль відповідають рентгенівському випромінюванню, а також електронам з енергією 100 кеВ та нейтронам з енергією 0,01 еВ. Відповідно існують три методи дослідження структури матеріалів – рентгенографічний, електронографічний та нейтронографічний.

Строго кажучи, положення дифракційних максимумів, що виникають при розсіянні рентгенівського випромінювання на вузлах тривимірних кристалічних ґрат, описуються рівняннями Лауе. Проте російський вчений Ю.В.Вульф і незалежно від нього англійські фізики Бреггі дали просте тлумачення результуючої дифракційної картини рентгенівських променів у кристалі, пояснивши це інтерференцією “дзеркально відбитих від атомних площин” рентгенівських променів (рис.2.1).

Якщо різниця ходу дорівнює довжині хвиль, то спостерігається максимум. З малюнка видно, що це має місце, коли

Δ =n·l=2·d·sinq , де - кут між падаючим променем і атомною площиною, - міжплощинна відстань, - довжина хвилі рентгенівського випромінювання, - ціле число, яке називається порядком відображення. Це співвідношення називають законом Вульфа-Брегга.

Рис.2.1. До висновку формули Вульфа-Брегга

Застосування цього співвідношення практично дозволяє вирішувати ряд практично важливих завдань. Зокрема, сукупність міжплощинних відстаней характеризує кристалічну решітку конкретного матеріалу. Очевидно, що знаючи довжину хвилі рентгенівського випромінювання і вимірявши відповідні кути на рентгенограмі, отриманої за допомогою тієї чи іншої методики рентгеноструктурного аналізу можна розрахувати міжплощинні відстані. Зіставлення розрахованих міжплощинних відстаней зі стандартними міжплощинними відстанями, добре відомими для більшості матеріалів та систематизованими у вигляді таблиць, дозволяє однозначно встановити матеріал, що є носієм аналізованої рентгенограми.

Очевидно також, що суміш різних речовин (фаз) повинна дати рентгенограму, що є суперпозицією максимумів, характерних для кожної фаз окремо. Незважаючи на те, що в цьому випадку ідентифікація кожної речовини ускладнюється, принцип розрахунку рентгенограм залишається незмінним. Ця група завдань зветься рентгенівського, якісного фазового аналізу.

У цьому роботі для простоти проведення аналізу пропонується розрахувати рентгенограму однієї з чистих металів.

Найчастіше рентгенограми для фазового аналізу одержують зйомкою полікристалічного зразка в монохроматичному випромінюванні. Однак фактично таке випромінювання складається з - серій. (Докладні відомості про принципи отримання характеристичного рентгенівського випромінювання наведено у спеціальній літературі). Тому навіть на рентгенограмі однофазного матеріалу (наприклад, чистого металу) присутні дифракційні максимуми від тих самих атомних площин, але для різних довжин хвиль. При цьому різниця довжин хвиль для і - випромінювань мала і здебільшого їх дифракційні максимуми зливаються. Тому при розрахунку рентгенограм використовується середня довжина хвилі - випромінювання, що визначається співвідношенням

. Табличні дані міжплощинних відстаней наведені в різних довідниках тільки для серії. Максимуми, що належать - серії, або видаляються в процесі зйомки, або виявляються розрахунковим шляхом (що докладніше буде описано у методиці розрахунку).

Рис.2.2. Схема ходу променів у камері Дебая:

1- падаючий промінь; 2-коліматор; 3- відбиває площину; 4 плівка; 5- дифрагмований промінь; 6-тубус; 7- камера Дебая

Класичним прийомом отримання рентгенограм полікристалічного (порошкового) матеріалу є зйомка в камері Дебая, що представляє собою циліндр, в центрі якого знаходиться зразок у вигляді стовпчика діаметром кілька десятих мм (рис.2.2) Плоска плівка, чутлива до впливу рентгенівських променів, притискається до внутрішньої поверхні циліндра.

Так як в полікристалі окремі кристаліти розташовані хаотично (рівноймовірно), то завжди знайдуться такі атомні площини, які будуть розташовані до первинного пучка рентгенівського під кутом , що задовольняє умові Вульфа-Брегга. Дифрагмовані промені в цьому випадку описуватимуть навколо напряму первинного променя конус із кутом у вершині. Кожному конусу з таким кутом (кожному набору площин з певною міжплощинною відстанню ) буде відповідати пара симетричних щодо отворів ліній, що вийшли в результаті перетину конуса з циліндром.

Залежно від розташування плівки щодо первинного та дифрагмованого променів (методу зарядки плівки в камері Дебая) дифракційна картина, що реєструється на плівці, буде різною (рис.2.3).

Рис.2.3. Схеми зйомки в циліндричній камері (цифрами вказані номери ліній): пряма; зворотний; асиметрична

Для прямої зйомки (кінці плівки сходяться біля вхідного отвору – коліматора) лінії розташовуються в порядку зростання кутів від середини плівки до країв. Відстань між парою симетричних ліній 2Lдорівнює дузі кола, що відповідає куту 4q, тобто. 2L i = 4q×R(у радіанах) або 2L i = 2R×4q /360(у градусах), де – радіус рентгенівської камери.

Звідси де - діаметр камери.

Зазвичай діаметр камери роблять рівним чи кратним 57,3 мм, що полегшує розрахунок. Зокрема, за мм (град) = (мм).

Для зворотної зйомки (кінці плівки сходяться біля вхідного отвору – тубуса) лінії рентгенограми розташовуються у порядку зростання кутів від країв плівки до середини. Відстань між парою симетричних ліній дорівнює дузі кола, що відповідає куту (360-), тобто. . Звідси і пов'язані між собою співвідношенням , тобто. .

Для асиметричної зйомки (кінці плівки сходяться біля діаметра камери, перпендикулярного рентгенівському променю) лінії розташовуються у порядку зростання кутів у середній частині рентгенограми від вихідного отвору до вхідного.

У цьому випадку при визначенні кутів необхідно враховувати, що відстані між парами симетричних ліній, розташованих у вихідного отвору складають , а у вхідного , пов'язане із співвідношенням .

У методі Дебая існує три роду помилок, що призводять до похибок у визначенні міжплощинних відстаней:

Помилки вимірювання, пов'язані з неточністю визначення середини дифракційних ліній та способом їх промірювання; вони визначаються виразом де і можуть бути мінімізовані високоточним вимірювальним інструментом (наприклад, мікроскопом – компаратором), неодноразовим проміром рентгенограм, а також застосуванням камер Дебая з великим діаметром;

Помилки, зумовлені геометричними чинниками зйомки – зміщенням зразка від центру камери (ексцентриситет зразка); при цьому зсув перпендикулярно первинному пучку, помилку у визначенні кута не вносить (рис.2.4), навпаки, в результаті зміщення зразка вздовж напрямку первинного пучка симетричні лінії рентгенограми зміщуються у напрямку один до одного (або один від одного), тобто. такий зсув викликають зміну довжини дуги, що визначає кут; помилки такого роду усуваються на стадії зйомки рентгенограм - зразок центрується в камері за допомогою спеціального мікроскопа установочного;

Після розсіювання не змінюється. Має місце так зване пружне розсіювання. В основі дифракційних методів лежить просте співвідношення для довжини хвилі і відстані між атомами, що розсіюють.

1. Рентгеноструктурний аналіз дозволяє визначати координати атомів у тривимірному просторі кристалічних речовин від найпростіших сполук до складних білків.
2. За допомогою газової електронографії визначають геометрію вільних молекул у газах, тобто молекул, не схильних до впливу сусідніх молекул, як це має місце в кристалах.
3. Дифракція електронів – метод дослідження структури твердих тіл.
4. Дифракційним методом є також нейтронографія, в основі якої лежить розсіювання нейтронів на ядрах атомів, на відміну від перших двох методів, де використовується розсіювання на електронних оболонках.
5. Дифракція відбитих електронів – кристалографічний метод, що застосовується в растровому електронному мікроскопі.

Wikimedia Foundation. 2010 .

• Ядерний магнітний резонанс
• Рентгеноструктурний аналіз

Дивитись що таке "Дифракційні методи" в інших словниках:

ДИФРАКЦІЙНІ МЕТОДИ- дослідження структури ва, засновані на вивченні кутового розподілу інтенсивності розсіювання досліджуваним у вом випромінювання рентгенівського (в т. ч. синхротронного), потоку електронів або нейтронів і мессбауеровського g випромінювання. Соотв. розрізняють … Хімічна енциклопедія

дифракційні методи дослідження- difrakciniai tyrimo metodai statusas T sritis chemija apibrėžtis Metodai, pagrįsti spindulių ar dalelių difrakcija. atitikmenys: англ. diffractional research techniques rus. дифракційні методи дослідження. Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Дифракційні методи (рентгенівські, електронні, нейтронні)- Статтігалогібридні матеріалидислокаціядифракційне визначення середнього розміру областей когерентного розсіювання дифракція швидких електронівдифракція повільних електроновмалокутове нейтронне розсіюванняобласть когерентного…

Методи дослідження- можна поділити на методи збирання інформації та методи аналізу зібраної інформації. Залежно від сфери дослідження, предмет та об'єкт дослідження різні. Спектроскопічні методи Основні статті: Спектроскопічні методи Ядерний… … Вікіпедія

Методи діагностики та дослідження наноструктур та наноматеріалів- ПідрозділиЗондові методи мікроскопії та спектроскопії: атомно-силова, скануюча тунельна, магнітно-силова та ін. Енциклопедичний словник нанотехнологій

ФІЗИЧНІ МЕТОДИ АНАЛІЗУ- засновані на вимірі ефекту, викликаного взаємод. з в вом випромінювання потоку квантів або частинок. Випромінювання грає приблизно ту ж роль, що відіграє реактив у хімічних методах аналізу. Вимірюваний фіз. ефект є сигнал. В результаті… … Хімічна енциклопедія

КРИСТАЛИЧНА СТРУКТУРА- Розташування атомів, іонів, молекул в кристалі. Кристал з визнач. хім. флой має властиву йому К. с., Що володіє тривимірною періодичністю кристалічною решіткою. Термін К. с. використовують замість терміна кристаллич. грати, коли йдеться … Фізична енциклопедія

Отримання, діагностика та сертифікація нанорозмірних систем- ПідрозділиМетоди нанесення елементів наноструктур та наноматеріалівФізичні методи (лазерні, електронно-променеві, іонно-плазмові) осадження шарів нанометрових товщин Хімічне, термічне та електродугове обладнання з газової фази (у тому… Енциклопедичний словник нанотехнологій

протеоміка- Термін протеоміка Термін англійською proteomics Синоніми Абревіатури Пов'язані терміни активний центр каталізатора, антитіло, атомно-силова мікроскопія, білки, біологічні мотори, біологічні нанооб'єкти, біосенсор, ван дер ваальсово… … Енциклопедичний словник нанотехнологій

протеом- Термін протеом Термін англійською proteome Синоніми Абревіатури Пов'язані терміни антитіло, білки, біологічні нанооб'єкти, геном, капсид, кінезин, клітина, мас спектрометрія з лазерною десорбцією та іонізацією, матрикс, позаклітинний, … Енциклопедичний словник нанотехнологій

Книги

• Методи комп'ютерної оптики. Гриф МО РФ, Волков Олексій Васильович, Головашкін Димитрій Львович, Досколович Леонід Леонідович. Викладаються основи комп'ютерного синтезу дифракційних оптичних елементів (ДОЕ) із широкими функціональними можливостями. Обговорюються методи одержання зонованих платівок зі складним… Купити за 1116 грн (тільки Україна)
• Дифракційні та мікроскопічні методи та прилади для аналізу наночастинок та наноматеріалів , Юрій Ягодкін. У навчальному посібнику розглянуті фізичні основи методів та апаратура для проведення рентгеноструктурного, електроно- та нейтронографічного аналізів, що просвічує електронну мікроскопію,…

Дифракція - явище хвильове, воно спостерігається під час поширення хвиль різної природи: дифракція світла, звукових хвиль, хвиль лежить на поверхні рідини тощо. Дифракція при розсіянні частинок, з погляду класичної фізики, неможлива.

Квантова механіка усунула абсолютну грань між хвилею та частинкою. Основним становищем квантової механіки, що описує поведінку мікрооб'єктів, є корпускулярно-хвильовий дуалізм, тобто подвійна природа мікрочастинок. Так, поведінка електронів в одних явищах може бути описано на основі уявлень про частинки, в інших, особливо в явищах дифракції, - тільки на основі уявлення про хвилі. Ідея "хвиль матерії" була висловлена ​​французьким фізиком Л. де Бройлем у 1924 і незабаром отримала підтвердження у дослідах з дифракції частинок. пестицид рентгенографія дифракційна реакція

Згідно з квантовою механікою, вільний рух частинки з масою m та імпульсом

(де V - швидкість частинки) можна подати як плоску монохроматичну хвилю y 0 (хвилю де Бройля) з довжиною хвилі

що поширюється в тому ж напрямку (наприклад, у напрямку осі х), в якому рухається частка. Тут h – постійна Планка. Залежність y 0 від координати х задається формулою

y 0 ~ cos (k 0 x) (2)

де k 0 = | k 0 | = 2p/l - так зване хвильове число, а хвильовий вектор спрямований у бік поширення хвилі, або вздовж руху частки.

Таким чином, хвильовий вектор монохроматичної хвилі, пов'язаної зі вільно рухомою мікрочастинкою, пропорційний її імпульсу або обернено пропорційний довжині хвилі.

При взаємодії частки з деяким об'єктом – із кристалом, молекулою тощо – її енергія змінюється: до неї додається потенційна енергія цієї взаємодії, що призводить до зміни руху частинки. Відповідно змінюється характер поширення пов'язаної з часткою хвилі, причому це відбувається згідно з принципами, загальним для всіх хвильових явищ. Тому основні геометричні закономірності дифракції частинок нічим не від закономірностей дифракції будь-яких хвиль. Загальною умовою дифракції хвиль будь-якої природи є сумірність довжини падаючої хвилі l з відстанню d між центрами, що розсіюють: l Ј d.

Кристали мають високий рівень упорядкованості. Атоми в них розташовуються в тривимірно-періодичній кристалічній решітці, тобто утворюють просторову дифракційну решітку для відповідних довжин хвиль. Дифракція хвиль на такій решітці відбувається в результаті розсіювання на системах паралельних кристалографічних площин, на яких у строгому порядку розташовані центри, що розсіюють.

При більш високих прискорювальних електричних напругах (десятках кв) електрони набувають достатньої кінетичної енергії, щоб проникати крізь тонкі плівки речовини. Тоді виникає так звана дифракція швидких електронів на проходження.

Для легких атомів і молекул (Н, H2, Не) і температур сотні градусів Кельвіна довжина хвилі l також становить близько 1 А. Дифрагуючі атоми або молекули практично не проникають у глиб кристала; тому можна вважати, що їхня дифракція відбувається при розсіянні від поверхні кристала, тобто як на плоскій дифракційній решітці.

Випущений із судини і сформований за допомогою діафрагм молекулярний або атомний пучок направляють на кристал і тим, або іншим способом фіксують "відбиті" дифракційні пучки.

Пізніше спостерігалася дифракція протонів, і навіть дифракція нейтронів, що набула широкого поширення як із методів дослідження структури речовини. Так було підтверджено експериментально, що хвильові характеристики притаманні всім без винятку мікрочастинкам.

У широкому значенні слова дифракційне розсіювання завжди має місце при пружному розсіюванні різних елементарних частинок атомами та атомними ядрами, а також один одним. З іншого боку, уявлення про корпускулярно-хвильовий дуалізм матерії зміцнилося при аналізі явищ, що завжди вважалися типово хвильовими, наприклад дифракції рентгенівських променів - коротких електромагнітних хвиль з довжиною хвилі l"0,5-5 Е. У той же час початковий і розсіяний пучки рентгенівських променів можна розглядати та реєструвати як потік частинок - фотонів, визначаючи за допомогою лічильників фотонів число фотонів рентгенівського випромінювання у цих пучках.

Слід наголосити, що хвильові властивості притаманні кожній частинці окремо. Утворення дифракційної картини при розсіянні частинок інтерпретується у квантовій механіці в такий спосіб. Пройшовши через кристал електрон в результаті взаємодії з кристалічними гратами зразка відхиляється від свого початкового руху і потрапляє в деяку точку фотопластинки, встановленої за кристалом для реєстрації електронів. Увійшовши у фотографічну емульсію, електрон поводиться як частка і викликає фотохімічну реакцію. На перший погляд попадання електрона в ту чи іншу точку платівки має цілком довільний характер. Але за тривалої експозиції поступово виникає впорядкована картина дифракційних максимумів і мінімумів у розподілі електронів, що пройшли через кристал.

Точно передбачити, в яке місце фотопластинки потрапить даний електрон, не можна, але можна вказати можливість його потрапляння після розсіювання в ту чи іншу точку платівки. Ця можливість визначається хвильової функцією електрона y, точніше квадратом її модуля (т.к. н - комплексна функція) |y| 2 . Однак, оскільки ймовірність при великих числах випробувань реалізується як достовірність, при багаторазовому проходженні електрона через кристал або, як це має місце у реальних дифракційних експериментах, при проходженні через зразок пучка електронів, що містить величезну кількість частинок, величина |y| 2 визначає вже розподіл інтенсивності в дифрагованих пучках. Таким чином, результуюча хвильова функція електрона y, яку можна розрахувати, знаючи y 0 і потенційну енергію взаємодії електрона з кристалом дає повний опис дифракційного досвіду в статистичному сенсі.

Специфіка дифракції різних частинок. Атомна амплітуда розсіювання. Внаслідок спільності геометричних принципів дифракції теорія дифракції часток багато запозичала з розвиненої раніше теорії дифракції рентгенівських променів. Однак взаємодія різного роду частинок – електронів, нейтронів, атомів тощо. - З речовиною має різну фізичну природу. Тому під час розгляду дифракції частинок на кристалах, рідинах тощо. Суттєво знати, як розсіює різні частинки ізольований атом речовини. Саме розсіювання частинок окремими атомами проявляється специфіка дифракції різних частинок.

Дифракцію на будь-якій системі атомів (молекулі, кристалі тощо) можна розрахувати, знаючи координати їх центрів r i та атомні амплітуди f i для даного сорту частинок.

Найяскравіше ефекти дифракції частинок виявляються при дифракції на кристалах. Однак тепловий рух атомів у кристалі дещо змінює умови дифракції, і інтенсивність дифрагованих пучків із збільшенням кута J у формулі (6) зменшується. При дифракції частинок рідинами, аморфними тілами або молекулами газів, упорядкованість яких значно нижча від кристалічної, зазвичай спостерігається кілька розмитих дифракційних максимумів.

Електронографія (від електрон і...графія), метод вивчення структури речовини, заснований на розсіянні прискорених електронів досліджуваним зразком. Застосовується для вивчення атомної структури кристалів, аморфних тіл та рідин, молекул у газах та парах. Фізична основа електронографії - Дифракція електронів; при проходженні через речовину електрони, що мають хвильові властивості, взаємодіють з атомами, в результаті чого утворюються окремі дифраговані пучки. Інтенсивності та просторовий розподіл цих пучків знаходяться у суворій відповідності до атомної структури зразка, розмірів та орієнтації окремих кристаликів та інших структурних параметрів. Розсіювання електронів у речовині визначається електростатичним потенціалом атомів, максимуми якого кристалі відповідають положенням атомних ядер.

Електронографічні дослідження проводяться у спеціальних приладах – електронографах та електронних мікроскопах; в умовах вакууму в них електрони прискорюються електричним полем, фокусуються у вузький світлосильний пучок, а після проходження через зразок пучки або фотографуються (електронограми), або реєструються фотоелектричним пристроєм. Залежно від величини електричної напруги, що прискорює електрони, розрізняють дифракцію швидких електронів (напруга від 30-50 кев до 1000 кев і більше) і дифракцію повільних електронів (напруга від декількох до сотень в).

Електронографія належить до дифракційних структурних методів (поряд з рентгенівським структурним аналізом та нейтронографією) і має низку особливостей. Завдяки незрівнянно сильнішій взаємодії електронів з речовиною, а також можливості створення світлосильного пучка в електронографі, експозиція для отримання електронограм зазвичай становить близько секунди, що дозволяє досліджувати структурні перетворення, кристалізацію і так далі. З іншого боку, сильна взаємодія електронів з речовиною обмежує допустиму товщину зразків, що просвічуються, десятими частками мкм (при напрузі 1000-2000 кев максимальна товщина кілька мкм).

Електронографія дозволила вивчати атомні структури великої кількості речовин, що існують лише в дрібнокристалічному стані. Вона має також перевагу перед рентгенівським структурним аналізом у визначенні положення легких атомів у присутності важких (методам нейтронографії доступні такі дослідження, але лише для кристалів значно більших розмірів, ніж для досліджуваних в електронографії).

Вигляд одержуваних електронограм залежить від характеру об'єктів, що досліджуються. Електронограми від плівок, що складаються з кристаликів з досить точною взаємною орієнтацією або тонких монокристалічних пластинок, утворені крапками або плямами (рефлексами) з правильним взаємним розташуванням. При частковій орієнтації кристаликів у плівках за певним законом (текстури) виходять відображення у вигляді дуг. Електронограми від зразків, що складаються з безладно розташованих кристаликів, утворені аналогічно дебаеграм рівномірно зачорненими колами, а при зйомці на фотопластинку, що рухається (кінематична зйомка) - паралельними лініями. Перелічені типи електронограм виходять у результаті пружного, переважно одноразового, розсіювання (без обміну енергією із кристалом). При багаторазовому непружному розсіюванні виникають вторинні дифракційні картини дифрагованих пучків. Подібні електронограми називаються кікучі-електронограмами (на ім'я японського фізика, що їх отримав вперше). Електронограм від молекул газу містять невелике число дифузних ореолів.

В основі визначення елементарного осередку кристалічної структури та її симетрії лежить вимір розташування рефлексів на електронограмах. Міжплощинна відстань d у кристалі визначається із співвідношення:

де L - відстань від зразка, що розсіює, до фотопластинки, l - дебройлівська довжина хвилі електрона, що визначається його енергією, r - відстань від рефлексу до центральної плями, створюваного нерозсіяними електронами. Методи розрахунку атомної структури кристалів в електронографії аналогічні до рентгенівського структурного аналізу (змінюються лише деякі коефіцієнти). Вимірювання інтенсивностей рефлексів дозволяє визначити структурні амплітуди | Fhkl |. Розподіл електростатичного потенціалу j(x, у, z) кристала представляється у вигляді ряду Фур'є. Максимальні значення j(x, у, z) відповідають положенням атомів усередині елементарного осередку кристала. Таким чином, розрахунок значень j(x, у, z), який зазвичай здійснюється ЕОМ, дозволяє встановити координати х, у, z атомів, відстані між ними та інші характеристики.

Методами електронографії було визначено багато невідомих атомних структур, уточнено та доповнено рентгеноструктурні дані для великої кількості речовин, у тому числі безліч ланцюгових і циклічних вуглеводнів, в яких вперше були локалізовані атоми водню, молекули нітрилів перехідних металів (Fe, Cr, Ni, W), обширний клас оксидів ніобію, ванадію та танталу з локалізацією атомів N і О відповідно, а також 2- та 3-компонентних напівпровідникових сполук, глинистих мінералів та шаруватих структур. За допомогою електронографії можна вивчати будову дефектних структур. У комплексі з електронною мікроскопією електронографія дозволяє вивчати ступінь досконалості структури тонких кристалічних плівок, які у різних галузях сучасної техніки. Для процесів епітаксії суттєвим є контроль ступеня досконалості поверхні підкладки до нанесення плівок, який виконується за допомогою кікучі-електронограм: навіть незначні порушення її структури призводять до розмиття кікучі-ліній.

Інтенсивність кожної точки цих електронограм визначається як молекулою в цілому, так і атомами, що входять до неї. Для структурних досліджень важлива молекулярна складова, атомну складову розглядають як фон і вимірюють відношення молекулярної інтенсивності до загальної інтенсивності в кожній точці електронограми. Ці дані дозволяють визначати структури молекул із числом атомів до 10-20, а також характер їх теплових коливань у широкому інтервалі температур. Таким шляхом вивчено будову багатьох органічних молекул, структури молекул галогенідів, оксидів та інших сполук. Аналогічним методом проводять аналіз атомної структури ближнього порядку в аморфних тілах, стеклах і рідинах.

Рентгенівське випромінювання, невидиме випромінювання, здатне проникати, хоч і по-різному, у всі речовини. Є електромагнітним випромінюванням з довжиною хвилі порядку 10- 8 см.

Як і видиме світло, рентгенівське випромінювання викликає почорніння фотоплівки. Ця його властивість має важливе значення для медицини, промисловості та наукових досліджень. Проходячи крізь досліджуваний об'єкт і падаючи на фотоплівку, рентгенівське випромінювання зображує на ній його внутрішню структуру. Оскільки проникаюча здатність рентгенівського випромінювання різна для різних матеріалів, менш прозорі для нього частини об'єкта дають світліші ділянки на фотознімку, ніж ті, через які випромінювання добре проникає. Так, кісткові тканини менш прозорі для рентгенівського випромінювання, ніж тканини, з яких складається шкіра та внутрішні органи. Тому на рентгенограмі кістки позначаться, як світліші ділянки і прозоріше для випромінювання місце перелому може бути досить легко виявлено. Рентгенівська зйомка використовується також у стоматології для виявлення карієсу та абсцесів у корінні зубів, а також у промисловості для виявлення тріщин у лиття, пластмасах та гумах.

Рентгенівське випромінювання використовується в хімії для аналізу сполук та у фізиці для дослідження структури кристалів. Пучок рентгенівського випромінювання, проходячи через хімічну сполуку, викликає характерне вторинне випромінювання, спектроскопічний аналіз якого дозволяє хіміку встановити склад сполуки. При падінні на кристалічну речовину пучок рентгенівських променів розсіюється атомами кристала, даючи чітку правильну картину плям і смуг на фотопластинці, що дозволяє встановити внутрішню структуру кристала.

Застосування рентгенівського випромінювання при лікуванні раку ґрунтується на тому, що воно вбиває ракові клітини. Однак воно може вплинути і на нормальні клітини. Тому при такому використанні рентгенівського випромінювання повинна бути дотримана крайня обережність.

Рентгенівське випромінювання відкрили німецьким фізиком В.Рентгеном (1845-1923). Його ім'я увічнено й у деяких інших фізичних термінах, пов'язаних із цим випромінюванням: рентгеном називається міжнародна одиниця дози іонізуючого випромінювання; знімок, зроблений у рентгенівському апараті, називається рентгенограмою; область радіологічної медицини, в якій використовуються рентгенівські промені для діагностики та лікування захворювань, називається рентгенологією.