Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни фізика твердого тіла Для студентів інженерно-технічних спеціальностей

Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни фізика твердого тіла Для студентів інженерно-технічних спеціальностей




Сторінка1/10
Дата конвертації03.06.2017
Розмір1.3 Mb.
ТипМетодичні вказівки
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10



Міністерство освіти і науки України

Запорізький національний технічний університет

Методичні вказівки
до лабораторних робіт з дисципліни

фізика твердого тіла
Для студентів інженерно-технічних спеціальностей

денної форми навчання



2006

Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни фізика твердого тіла.

Спеціальність (лат. specialis - особливий; від species - род, вид) - комплекс набутих людиною знань і практичних навичок, що дає їй можливість займатися певним родом занять у якійсь галузі діяльності.

Те́хніка (від грец. techne - мистецтво, майстерність) - сукупність засобів, створених людством для обслуговування своїх потреб виробничого і невиробничого характеру. У техніці матеріалізовані знання і виробничий досвід, накопичені людством у процесі розвитку суспільного виробництва.

Лабораторія (середньовічна лат. laboratorium, від лат. laboro - працюю, лат. labor - праця, робота) - багатозначний термін, що залежно від контексту, може означати: Спеціально обладнане та устатковане приладами, пристроями, мережами приміщення або транспортний засіб (наприклад, автомобіль, вагон потягу, літак, гелікоптер, субмарина тощо) для наукових досліджень, навчальних робіт, контрольних аналізів та випробувань (див. лабораторне устаткування). Установу або її відділ, що проводить експериментальну науково-дослідницьку та навчальну роботу. Внутрішні творчі процеси, внутрішню діяльність кого-небудь. Наприклад, творча лабораторія дослідника, митця тощо.

Студе́нт (лат. studens, родовий відмінок studentis - «ретельно працюючий», «такий, що займається») - учень вищого, у деяких країнах і середнього навчального закладу.

Для студентів інженерно-технічних спеціальностей денної форми навчання. Укладачі: С.В. Лоскутов, Л.П. Степанова. - Запоріжжя: ЗНТУ, 2006. - 62 с.


У к л а д а чі:

професор кафедри фізики С.В. Лоскутов,

доцент кафедри фізичного металознавства Л.П. Степанова.

Р е ц е н з е н т

доцент кафедри фізики ЗНТУ В.Г. Корніч

Затверджено на засіданні

кафедри фізики ЗНТУ протокол № 1 від 30.09.2006 р .


Затверджено Вченою радою електротехнічного факультету.

Металозна́вство - наука, що вивчає будову, властивості металів і сплавів, закономірності їх зміни в залежності від теплового, хімічного, механічного, електромагнітного і радіоактивного впливу. Металознавство базується на хімії, фізиці, кристалографії має великий вплив на розвиток інженерних дисциплін.

Електроте́хніка (рос. электротехника, англ. electrical engineering, нім. Elekrotechnik f) - галузь науки і техніки, пов'язана із застосуванням електричних і магнітних явищ для перетворення енергії, добування і зміни складу хімічних речовин, виробництва та обробки матеріалів; галузь, що охоплює питання отримання (виробництва), розподілу, перетворення і застосування електроенергії.

Фі́зика (від грец. φυσικός природний, φύσις природа) - природнича наука, яка досліджує загальні властивості матерії та явищ у ній, а також виявляє загальні закони, які керують цими явищами. Це наука про закономірності Природи в широкому сенсі цього слова.

Факульте́т (нім. Fakultät, від лат. facultas - спроможність, здатність) - основний організаційний і навчально-науковий структурний підрозділ вищого навчального закладу третього та четвертого рівнів акредитації, що об'єднує відповідні кафедри і лабораторії.

Протокол № 2 від 16.10.2006).

Збірник містить лабораторні завдання для самостійної роботи студентів.



Зміст

Лабораторна робота 1. Рентгенівський фазовий аналіз

порошкових матеріалів………………………………………………….. 4

Теоретичний розділ. Вступ …………………………………………….. 4

Сутність методу рентгенівського фазового аналізу ………………….

Рентгенографія (англ. projection radiography, plain film radiography, X-ray imaging, roentgenography, X-ray study, X-ray filming) - дослідження внутрішньої структури об'єктів, які відображаються за допомогою рентгенівських променів.

5

Суцільне і характеристичне рентгенівське випромінювання …………6

Рентгенівські трубки ……………………………………………………. 8

Рентгенівські апарати ………………………………………………….. 9

Готування зразків ……………………………………………………… 11

Розрахунок порошкових рентгенограм ……………………………… 12


        1. Якісний рентгенівський фазовий аналіз ………………………….….. 13

        2. Порядок роботи на рентгенівському дифрактометрі ДРОН-ЗМ …… 16

        3. Лабораторна робота 2.Якісний рентгенівський фазовий аналіз ……. 18


Список літератури ………………………………………………………20

Лабораторна робота 3. Визначення залишкових макроскопічних

напружень ……………………………………………………………… 21

Практична частина …………………………………………………….. 25



Результати вимірювань ………………………………………………..

Макроскопі́чний масштаб - категорія, яка вживається у фізиці для опису систем, які складаються з великого числа часток і мають розміри, що набагато перевищують розміри атомів.

Рентгенограма (рос. рентгенограмма (пулюеграмма), англ. X-ray photograph, roentgenogram; нім. Röntgenaufnahme f (Pulujiaufnahme f)), також відома як Ro-грама або пулюєграма - зображення на рентгенівській плівці чи іншому детекторі (наприклад Image Plate, чи CCD) , утворене внаслідок дії на них рентгенівського (пулюєвого) проміння, що пройшло чи дифрагувало через досліджуваний об’єкт.

Озна́чення, ви́значення чи дефіні́ція (від лат. definitio) - роз'яснення чи витлумачення значення (сенсу) терміну чи поняття. Слід зауважити, що означення завжди стосується символів, оскільки тільки символи мають сенс що його покликане роз'яснити означення.

Вимі́рювання - пізнавальний процес визначення числового значення вимірюваної величини, а також дія, спрямована на знаходження значення фізичної величини дослідним шляхом, порівнюючи її з одиницею вимірювання за допомогою засобів вимірювальної техніки.

26

Список літератури ………………………………………………………29

Лабораторна робота 4.Гармонійний аналіз форми ліній

рентгенограми ………………………………………………………… 33

Мікроскопічні напруження і блоки кристалічної мозаїки ………….. 33

Побудова кривої розподілу інтенсивності, обумовленого

фізичними факторами ………………………………………………….35

Визначення розміру блоків (областей когерентного розсіяння

рентгенівських променів) і мікродеформацій кристалічних

граток (мікронапружень) ……………………………………………… 40

Список літератури …………………………………………………….. 47

Лабораторна робота 5. Поглинання рентгенівських променів

речовиною ……………………………………………………………… 48

Коротка теорія.

Когере́нтність - це властивість хвилі зберігати свої частотні, поляризаційні й фазові характеристики.

Фа́ктор (лат. "facere" - "діяти", "виробляти", "примножувати") - умова, рушійна сила будь-якого процесу, явища; чинник.

Рентге́нівське випромі́нювання, пулюївське випромінювання або Х-промені (англ. X-ray emission, roentgen radiation, нім. Röntgenstrahlung f) - короткохвильове електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі від 10 нм до 0.

Взаємодія рентгенівських променів з речовиною ….48

Поглинання рентгенівських променів у речовині …………………… 52

Монохроматизація рентгенівського випромінювання ………………. 55

Реєстрація інтенсивності рентгенівського випромінювання …… …..57

Визначення залежності коефіцієнта масового поглинання від

атомного номера поглинача і довжини хвилі рентгенівського

випромінювання ………………………………………………………..

Зале́жність - набута гостра потреба здійснювати якісь дії або вживати якісь речовини.

Рентгеноскопія

Пулюй Іван Павлович

У практиці, цей термін має кілька значень.

Речовина́ - вид матерії, яка характеризується масою та складається з елементарних частинок (електронів, протонів, нейтронів, мезонів тощо). Характерною властивістю таких частинок є відмінні від нуля баріонний заряд або лептонний заряд.

Довжина́ хви́лі - характеристика періодичної хвилі, що позначає найменшу відстань між точками простору, в яких хвиля має однакову фазу. Крива на представленому малюнку може розглядатися, наприклад, як миттєвий знімок збурень в струні, коли відхилення точок струни від положнення рівноваги задається виразом

59


Лабораторна робота 1. РЕНТГЕНІВСЬКИЙ ФАЗОВИЙ АНАЛІЗ ПОРОШКОВИХ МАТЕРІАЛІВ

ТЕОРЕТИЧНИЙ РОЗДІЛ. Вступ
У багатьох технічно важливих матеріалах кристалічна речовина знаходиться у вигляді полікристала, і важливо мати можливість вивчати структуру і властивості саме в такому стані. Полікристалічний матеріал складається з дрібних кристаликів. Це може бути агрегат щільно зчеплених між собою дрібних кристалів (наприклад, метали, сплави, мінерали, керамічні матеріали), чи здрібнений порошок даної речовини. Полікристалічна речовина може складатися з кристаликів різних фаз.

За допомогою рентгенографії на полікристалічних зразках можна вирішувати наступні задачі:

- структурний аналіз нескладних структур;

Флюорографія

Полікриста́л (рос. поликристалл, англ. polycrystal, нім. Vielkristall m, Kristallhaufwerk n, Sammelkristall m, Polykristall m) - тверде тіло, що складається з великої кількості дрібних, здебільшого безладно розташованих кристалів різного розміру, які називають кристалічними зернами або кристалітами.

Можливість - це дія, що може відбутися або ні (можливо, приїду, а, можливо, і ні). Можливість можна забезпечити чи покладатись на «авось» та якось буде. Альтернатива дає шанс, але не гарантує без відповідних дій забезпечення результату і адекватності та конструктиву діяльності.

Кера́міка - неорганічні, неметалічні тверді вироби, підготовлені дією тепла з наступним охолодженням. Керамічними називають вироби і матеріали, що одержуються внаслідок спікання глин й їхніх сумішей з мінеральними додатками, а також оксидів і їхніх сполук.

Структурний аналіз - метод дослідження статичних (сталих) характеристик ієрархічно впорядкованої системи шляхом виділення в ній підсистем і елементів різного рівня і визначення відносин і зв'язків між ними.

- визначення елементарного складу невідомої речовини;

- дослідження фазових переходів, вивчення стану твердого тіла (кристалічне, аморфне, аморфне з кристалічними включеннями);

- дослідження фазового складу речовини (якісний і кількісний аналізи):

якісний - ідентифікація кристалічних фаз на основі властивих їм значень міжплощинних відстаней dhkl і інтенсивності ліній Іhkl дифрактограми;

кількісний - визначення кількості тих чи інших фаз у суміші:

- визначення середніх розмірів кристалів, зерен у зразку, функції розподілу їх по розмірам, при проведенні аналізу профілю ліній;

Кристалі́т (або зерно) - неогранований монокристал, який під час кристалізації полікристала виростає з окремого зародка і росте до зіткнення з іншими сусідніми кристалітами.

Ві́дстань або ві́ддаль між двома точками простору - довжина уявного відрізка прямої, що сполучає ці точки.

Функція розподілу ймовірностей - В теорії ймовірностей це функція, яка повністю описує розподіл ймовірностей випадкової величини.

- вивчення внутрішніх напружень: проводять аналіз профілю дифракційних ліній і зміну положення кута для цих ліній;

- вивчення текстур, тобто характеру переважної орієнтації кристалітів.

Кількісний рентгенівський фазовий аналіз (РФА) заснований на залежності інтенсивності дифракційних ліній від вмісту Xі відповідної фази. Порівнюючи експериментальні значення Іhkl з еталонними і вводячи необхідні виправлення на фактори, що впливають на інтенсивність, можна визначити вміст фази Xі .

Орієнтація, в класичному випадку - вибір одного класу систем координат, пов'язаних між собою «додатньо» в деякому певному сенсі. Кожна система задає орієнтацію, визначаючи клас, до якого вона належить.

Характер (термін «характер» - грецького походження, він означає «риса», «ознака», «відбиток»)- це сукупність відносно стійких індивідуально-своєрідних якостей особистості, що виявляються у поведінці, діяльності та ставленні до людей, колективу, до себе, речей, роботи і тощо.

Поло́ження - нормативно-правовий або локально-правовий акт, що визначає основні правила організації та діяльності державних органів, структурних підрозділів органу, а також установ, організацій і підприємств (філій), що їм підпорядковуються, тимчасово створюваних комісій, груп, бюро і т. ін.

Експериме́нт (англ. experiment) - сукупність дослідів, об’єднаних однією системою їх постановки, взаємозв’язком результатів і способом їх обробки. В результаті експерименту отримують сукупність результатів, які допускають їхню сумісну обробку і зіставлення.

У даній роботі проводиться вивчення якісного методу рентгенівського фазового аналізу, що заснований на тому, що порошкова рентгенограма даної фази характеризується своїм набіром міжплощинних відстаней dhkl і інтенсивностей ліній Іhkl, а рентгенограма багатофазного зразка являє собою накладення рентгенограм окремих фаз.

Комп'ютерна томографія

Для фазового аналізу необхідно мати довідникові дані значень dhkl і Іhkl кожної фази.

Необхідність - система зв'язків і відносин, що зумовлює зміну, поступальний рух, розвиток у жорстко визначеному напрямку з жорстко визначеними результатами. Іншими словами, необхідність - це такий зв'язок, що обов'язково призводить до певної події.

Ці параметри зібрані в спеціальних довідниках.

Найбільше повно рентгенівські дані приведені в рентгенометричній картотеці (ASTM), що видається Об'єднаним комітетом з дифракційних стандартів. В даний час у цій картотеці наведені дані більш ніж на 40000 неорганічних з'єднань. Існує кілька розробок інформаційних систем на основі ЕОМ для автоматичного проведення якісного фазового аналізу.


Сутність методу рентгенівського фазового аналізу
У методі РФА використовується явище дифракції рентгенівських променів на кристалічних ґратках, застосовується випромінювання з довжиною хвилі λ, порядку величини міжатомних відстаней у кристалі.

Проведення виробки, проходження виробки, проходка виробки (рос. проведение (проходка) выработки, англ. driving, нім. Grubenbauvor-richtung f, Vortrieb m, Abteufung f, Abteufen n, Auffahren n des Grubenbaus) - комплекс робіт, руйнування та видобування гірських порід у межах контура поперечного перерізу підготовчої виробки, встановленого відповідним паспортом.

Автома́тика (грец. αύτόματος - самодіючий) - галузь науки і техніки, яка розробляє технічні засоби і методи для здійснення технологічних процесів без безпосередньої участі людини.

Станда́рт - нормативний документ, заснований на консенсусі, прийнятий визнаним органом, що встановлює для загального і неодноразового використання правила, настанови або характеристики щодо діяльності чи її результатів, та спрямований на досягнення оптимального ступеня впорядкованості в певній сфері.

Інформацíйна систéма (англ. Information system) - сукупність організаційних і технічних засобів для збереження та обробки інформації з метою забезпечення інформаційних потреб користувачів.

Рентгенострукту́рний ана́ліз - метод дослідження структури речовини, в основі якого лежить явище дифракції рентгенівського випромінювання на тривимірних кристалічних ґратках.

Якщо будь-який вузол кристалічних ґраток здатний розсіювати падаюче рентгенівське випромінювання, то за певних умов між хвилями, розсіяними окремими електронами внаслідок різниці фаз, виникає сумарна амплітуда розсіювання атомами. При цьому вважається, що:

- електрони атома розсіюють як вільні електрони, тобто не враховується зв'язок з ядром;

- період руху електрона по орбіті набагато більше періоду коливань падаючого випромінювання, тобто розсіювання відбувається на нерухомому електроні.

Відніма́ння - двомісна математична операція, обернена додаванню.

Розсіювання - зміна напрямку руху частинок або розповсюдження хвиль внаслідок зіткнень із іншими частинками.

Вільні частинки - термін, який уживається в фізиці для позначення частинок, які не взаємодіють з іншими тілами, а, отже мають тільки кінетичну енергію.

Перíод колива́нь - проміжок часу між двома послідовними максимальними відхиленнями фізичної системи від положення рівноваги.

Інтерпретувати дифракційну картину, одержану за допомогою рентгенівських променів на тривимірній кристалічній ґратці можна подвійно:

- кристал розглядають як сукупність атомних рядів, у цьому випадку дифракцію рентгенівських променів описують рівняннями Лауэ (тривимірні ґратки):

(1.1)

(1.2)

(1.3)

де α0, β0, γ0 - кути між осями X, Y, Z і напрямком первинного пучка; αр, βр, γр - кути між осями X, Y, Z і напрямком дифракційного пучка; а, b, с - періоди ґраток уздовж осей X,Y, Z; p, q, r - цілі числа;

Рівняння - аналітичний запис задачі знаходження аргументів, при яких дві задані функції рівні між собою.

Ці́лі чи́сла - в математиці елементи множини Z = =\lbrace \ldots -3,\,-2,\,-1,\,0,\,1,\,2,\,3\,\ldots \rbrace } яка утворюється замиканням натуральних чисел відносно віднімання. Таким чином, цілі числа замкнуті відносно додавання, віднімання та множення.

λ - довжина хвилі;

Кристал представляють як просторову структуру, що складається з паралельних, рівновіддалених одна від одної площин (hkl). Відповідно до розташування атомів у кристалічних ґратах систему паралельних площин можна проводити різним чином, при цьому будуть різними відстані dhkl між сусідніми площинами (hkl). Візьмемо одну з таких атомних площин (hkl) і припустимо, що на неї падає під кутом θ рентгенівський промінь. Він буде вільно проходити через одноатомний шар, але за принципом Гюйгенса одночасно має місце і часткове відображення променів під тим же кутом θ.

Площина́ - одне з основних понять геометрії. При систематичному викладенні геометрії поняття площини як правило сприймається як первісне, котре лише опосередковано визначається аксіомами геометрії. Рівняння площини вперше зустрічається в А.К.

Принцип Гюйгенса - фізичний принцип, згідно з яким будь-яка точка простору, якої досягла хвиля, є джерелом вторинних хвиль, що розповсюджуються у всіх напрямках.

Поширимо це міркування на випадок двох паралельних атомних площин P1 і P2 . При заданій величині dhkl різниця ходу між променями складає



(1.

Міркування - зіставлення думок, пов’язання їх задля відповідних висновків, логічне мислення. Можна розглядати міркування як аналіз і синтез даних, та їхню оцінку. Хоча знання фактів і є точкою відліку у вивченні суспільних наук, людина також повинна мати здатність до логічного мислення-міркування, адже саме міркування наповнює факти, проблеми і поняття змістом: міркуючи над засвоєним знанням, людина приходить до повнішого розуміння предмета. Міркування є також предметом логіки, яка вказує нам правила, закони або норми, яким повинне підкорятися наше мислення для того, щоб бути істинним.

Різни́ця хо́ду - різниця довжини шляхів променів від двох джерел хвиль (світла, наприклад) до довільної точки на інтерференційному полі (екрані).

4)
Обидва відбитих променя будуть підсилюватися максимальним чином тільки в тому випадку, коли різниця ходу складає цілу кількість хвиль, тобто за умови
(1.5)
де λ - довжина хвилі, n - ціле число. Рівняння (1.5) називается рівнянням Вульфа-Брэгга, а кут θ - брэгговским кутом.

 

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10



  • Якісний рентгенівський фазовий аналіз ………………………….….. 13