Способ определения плотности монокристаллов твердых тел

Изобретение относится к области испытания физических свойств материалов и предназначено для определения плотности. Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей, снижение трудоемкости за счет прогнозирования физических свойств материала расчетом по формуле. Сущность изобретения заключается в том, что для монокристаллов простых веществ определяют период кристаллической решетки рентгеноструктурным методом, а затем вычисляют плотность по установленной формуле, а для монокристаллов сложных веществ определяют период кристаллической решетки рентгеноструктурным методом, затем по установленной формуле определяют плотность каждого составного химического элемента ρ_i в элементарной ячейке кристаллической структуры сложного вещества, после чего плотность сложного вещества ρ определяют как сумму плотностей простых веществ, входящих в состав сложного вещества. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к способам определения плотности твердых тел.

Известен способ определения плотности твердых тел, включающий, в частности, погружение исследуемого тела в сосуд с жидкостью, предварительное измерение среднего диаметра и измерение скорости погружения (Авторское свидетельство СССР №1698705, М. Кл. G 01 N 9/00, 15.12.1991 г.).

Известен способ определения кажущейся плотности пористых изделий, включающий, в частности, физическое воздействие на изделие, определение параметра, с учетом которого по тарировочным графикам определяют плотность (Авторское свидетельство СССР №1820302, М. Кл. G 01 N 9/00, 07.06.1993 г).

Известен способ определения истинной плотности порошковых материалов, включающий, в частности, измерение модуля упругости исследуемого материала путем механического нагружения в упругой области образцов (Авторское свидетельство СССР №1827582, М. Кл. G 01 N 9/00, 15.07.1993 г.).

Недостатками способов являются ограниченные функциональные возможности.

Наиболее близким по достигаемому результату является способ, по которому производится последовательное взвешивание исследуемого тела, отбор материала из анализируемой части объема и определение плотности по формуле (Авторское свидетельство СССР №1723497, М. Кл. G 01 N 9/00, 30.03.1992 г.).

Недостатками являются трудоемкость способа и ограниченные функциональные возможности.

Технический результат изобретения снижение трудоемкости способа, возможность прогнозирования плотности материала путем расчета по формуле, а также расширение функциональных возможностей за счет определения плотности предельно малых объемов на уровне нанометрических размеров.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что в способе определения плотности твердых тел, по которому плотность вычисляют по формуле, в отличие от прототипа для монокристаллов простых веществ определяют период кристаллической решетки рентгеноструктурным методом, а затем по формуле

ρ=(m_AM_едk_р)/а₀ ³,

где m_A - атомная масса элемента;

М_ед = 1,66·10^-27 кг - атомная единица массы;

k_p - коэффициент ретикулярной плотности элементарной ячейки кристаллической структуры;

а₀ - период кристаллической решетки

определяют плотность.

К тому же технический результат изобретения достигается за счет того, что в способе определения плотности твердых тел, по которому плотность вычисляют по формуле, в отличие от прототипа для монокристаллов сложных веществ определяют период кристаллической решетки рентгеноструктурным методом, а затем по формуле

ρ=(m_AM_едk_р)/а₀ ³,

где m_A - атомная масса элемента;

М_ед = 1,66·10^-27 кг - атомная единица массы;

k_p - коэффициент ретикулярной плотности элементарной ячейки кристаллической структуры;

а₀ - период кристаллической решетки

определяют плотность каждого составного химического элемента ρ_i в элементарной ячейке кристаллической структуры сложного вещества, после чего плотность сложного вещества ρ определяют как сумму плотностей простых веществ, т.е.

ρ=Σρ_i,

где i - номер химического элемента, входящего в состав сложного вещества.

Кроме того, период кристаллической решетки можно определить по справочным данным (Кристаллография и дефекты кристаллической решетки. Учебник для вузов / Новиков И.И., Розин К.М. М.: Металлургия, 1990, 336 с.).

Пример конкретной реализации способа

Для рентгеноструктурного анализа изготавливаются образцы. Монолитные образцы в форме шлифов изготавливают из исследуемого материала обычными механическими способами и перед съемкой подвергают электролитической полировке для снятия наклепа. Плоские шлифы подготавливают для съемки с помощью электролитического травления для снятия деформированного слоя. При съемке на просвет образцы должны электролитически утоньшаться до тонкой фольги.

Для определения периодов кристаллической решетки необходимо измерить межплоскостные расстояния, проиндицировать дифракционные отражения и, зная связь между межплоскостным расстоянием, индексами отражающих плоскостей и периодами решетки, рассчитать последние (С.С.Горелик, Л.Н.Расторгуев, Ю.А.Скаков Рентгенографический и электронно-оптический анализ. М.: Металлургия, 1970, 366 с.).

Методами прецизионного определения периода кристаллической решетки могут служить следующие:

- асимметричная съемка с расчетом по последним линиям;

- метод съемки на больших расстояниях в широком расходящемся пучке;

- метод съемки с независимым эталоном;

- безэталонный метод при обратной съемке и др.

Выбор того или иного метода определения периода решетки связан с расположением линий на рентгенограмме и симметрией решетки исследуемого материала (Н.Н.Качанов, Л.И.Миркин Рентгеноструктурный анализ. М.: Машгиз, 1960, 216 с.).

Коэффициент ретикулярной плотности элементарной ячейки кристаллической структуры определяется в соответствии с правилами кристаллографии [Лахтин Ю.М., Леонтьев В.П. Материаловедение: Учебник для ВУЗов - 3-е изд., - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с].

Например, плотность монокристалла простого вещества, состоящего из атомов одного химического элемента железа Fe с объемно-центрированной кристаллической решеткой, определяется как

ρ=(m_AM_едk_р)/а₀ ³=(55,847·1,66·10^-27·2)/(2,8665·10^-10)³=7871,9 кг/м³.

Плотность монокристалла простого вещества, состоящего из атомов одного химического элемента меди - Cu с гранецентрированной кристаллической решеткой, определяется как

ρ=(m_AM_едk_р)/а₀ ³=(63,546·1,66·10^-27·4)/(3,6148·10^-10)³=8933 кг/м³.

Плотность сложных веществ или соединений, состоящих их атомов разных химических элементов типа NaCl, определяется как сумма плотностей составляющих химических элементов, т.е.

ρ_NaCl=Σρ_I=(m_Nak_pNaМ_ед)/a₀ ³+(m_Clk_pClМ_ед)/а₀ ³=((m_Nak_pNa+m_Clk_pCl)М_ед)/а₀ ³=((22,989·4+35,453·4)·1,66·10^-27)/(5,63·10^-10)³=2174 кг/м³,

где k_pNa, k_pCl - коэффициент ретикулярной плотности соответственно для Na и Cl;

m_Na, m_Cl - атомная масса соответственно для Na и Cl;

а₀ - период кристаллической решетки NaCl.

Таблица
Символ элемента или соединения	Величина плотности ρ, кг/м3
расчетная	экспериментальная	погрешность %
Fe	7871,9	7872	0
Cu	8933	8933	0
NaCl	2174,5	2100	3,5

Из таблицы видно, что расчетная величина плотности для железа Fe составляет 7871,9 кг/м³, а экспериментальное значение - 7872 кг/м³ (Свойства элементов. В двух частях, 4.1. Физические свойства. Справочник. Второе изд. М., Металлургия, 1976. 600 с.).

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет снизить трудоемкость за счет расчета по формуле, в свою очередь, определение плотности предельно малых объемов на уровне нанометрических размеров расширяет функциональные возможности способа.

1. Способ определения плотности твердых тел, по которому плотность вычисляют по формуле, отличающийся тем, что для монокристаллов простых веществ определяют период кристаллической решетки рентгеноструктурным методом, а затем по формуле

ρ=(m_AM_едk_р)/а₀ ³,

где m_A - атомная масса элемента;

М_ед=1,66·10^-27 кг - атомная единица массы;

k_p - коэффициент ретикулярной плотности элементарной ячейки кристаллической структуры;

а₀ - период кристаллической решетки,

определяют плотность.

2. Способ определения плотности твердых тел, по которому плотность вычисляют по формуле, отличающийся тем, что для монокристаллов сложных веществ определяют период кристаллической решетки рентгеноструктурным методом, а затем по формуле:

ρ=(m_AM_едk_р)/а₀ ³,

где m_A - атомная масса элемента;

М_ед=1,66·10^-27 кг - атомная единица массы;

k_p - коэффициент ретикулярной плотности элементарной ячейки кристаллической структуры;

а₀ - период кристаллической решетки,

определяют плотность каждого составного химического элемента ρ_i в элементарной ячейке кристаллической структуры сложного вещества, после чего плотность сложного вещества ρ определяют как сумму плотностей простых веществ, т.е.:

ρ=Σρ_i,

где i - номер химического элемента, входящего в состав сложного вещества.