Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa Bond typeDissociation energy (kcal/mol) Covalent400 Hydrogen bonds12–16 Dipole–dipole0.5–2 London Forces<1.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa Bond typeDissociation energy (kcal/mol) Covalent400 Hydrogen bonds12–16 Dipole–dipole0.5–2 London Forces<1."— Zapis prezentacji:

1 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa Bond typeDissociation energy (kcal/mol) Covalent400 Hydrogen bonds12–16 Dipole–dipole0.5–2 London Forces<

2 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa

3 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa Dipol elektryczny

4 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa Mod kontaktowy Tryby pracy AFM związane z zależnością oddziaływania próbka –ostrze od odległości ostrza od próbki: tryb kontaktowy (contactmode) tryb bezkontaktowy (non-contactmode) tryb z przerywanym kontaktem (tappingmode)

5 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Budowa oraz zasada działania mikroskopu AFM Ostrze jest umocowane na swobodnym końcu dźwigni o długości μm. Detektor mierzy ugięcie dźwigni podczas, skanowania próbki lub gdy próbka jest przesuwana pod ostrzem.

6 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Metody pomiaru odchylenia dźwigni

7 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Detekcja AFM / LFM (lateral) Równoczesna generacja danych dla AFM i LFM

8 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Mikroskop sił lateralnych mierzy poprzeczne ugięcie (skręcenie) dźwigni spowodowane obecnością sił równoległych do płaszczyzny próbki (np. sił tarcia powierzchniowego).

9 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryb kontaktowy Ostrze podczas skanowania jest w kontakcie z próbką (obszar odpychających sił van der Waalsa). Pomiar siły dokonywany jest przez rejestrację wychylenia (ugięcia) swobodnego końca dźwigni z ostrzem podczas skanowania próbki. C – stała sprężystości dźwigni  z- wychylenie dźwigni

10 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryb kontaktowy (ostrza) ostrze o małej stałej sprężystości (c<1N/m) pozwala zminimalizować siłę oddziaływania pomiędzy ostrzem a próbką podczas skanowania (standardowo ostrze z azotku krzemu Si 3 N 4 ) długość dźwigni ~ μm;

11 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryb bezkontaktowy odległość ostrza od próbki ~10 –100 nm (obszar przyciągających sił vander Waalsa); słabsze siły => detekcja AC dźwignia oscyluje z częstotliwością rezonansową (lub blisko niej); możemy traktować ją jako oscylator harmoniczny z częstotliwością rezonansową f

12 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryb bezkontaktowy c eff – efektywna stała sprężystości m – efektywna masa dźwigni i ostrza

13 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryb z przerywanym kontaktem (Tapping Mode) oscylująca dźwignia z ostrzem blisko częstotliwości rezonansowej (f ~ 50 –500 kHz) duża amplituda oscylacji (>20 nm) kiedy ostrze nie jest w kontakcie z próbką oscylujące ostrze jest zbliżane do próbki i zaczyna uderzać w próbkę (tapping)

14 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tapping Mode (ostrza) Cechy dźwigni i ostrza pracującego w trybie Tapping Mode: krótka, sztywna dźwignia z krzemu ze zintegrowanym ostrzem duża stała sprężystości dźwigni (c = 20 – 80 N/m.) wysoka częstotliwość rezonansowa (f = 200 – 400 kHz)

15 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryby pracy AFM (porównanie) Tryb kontaktowy: - duża rozdzielczość obrazów - duże siły adhezyjne spowodowane obecnością zanieczyszczeń powierzchni - możliwość uszkodzenia próbki lub ostrza Tryb bezkontaktowy: - mniejsza rozdzielczość obrazów Tryb z przerywanym kontaktem: - możliwość skanowania „miękkich” powierzchni (brak zniszczeń skanowanej powierzchni) - dobra zdolność rozdzielcza

16 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Tryby pracy AFM (porównanie) Tapping Mode Kontakt Warstwa epitaksjalna Si

17 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Obraz DNA otrzymany w trybie Tapping Mode. Odległość między poszczególnymi helisamiDNA wynosi około 4 nm

18 AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Pierwotniak Tetrahymena. Obraz otrzymany w trybie Tapping Mode. Rozmiary obrazu – 50 x 50 μm.

19 Pomiary własności cieplnych Mechanizmy: - promieniowanie - konwekcja - przewodzenie Prawo Stefana - Boltzmana : R T = σT 4 Prawo Newtona Prawo Nernst’a Relaksacja:

20 Pomiary własności cieplnych gdzie T R jest temperaturą otoczenia a T - aktualną temperaturą układu Powyższe równanie jest równaniem różniczkowym o zmiennych rozdzielonych gdzie T 0 oznacza temperaturę początkową układu Prawo stygnięcia (prawo stygnięcia Newtona): "Szybkość z jaką układ stygnie jest proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy układem a otoczeniem." Matematycznie można to wyrazić jako:

21 Pomiary własności cieplnych Ciepło właściwe Pomiary ciepła właściwego metodą ostygania gdzie ‘x’ oznacza wielkości szukane a ‘wz’ wzorcowe t czasy ostygania dla wybranych temperatur

22 Pomiary własności cieplnych T T1T1 T2T2 ttxtx t wz

23 Metoda Nernst’a (adiabatyczna) Pomiary własności cieplnych A V T Zasilacz Próbka z grzejnikiem i złączem termopary Osłona adiabatyczna (styropian) Uwzględnienie strat

24 Pomiary własności cieplnych Metoda Nernst’a (adiabatyczna) Duże stratyMałe stratyT T Grzanie Stygnięcie t t a b miedź385 J/kg*deg platyna138 J/kg*deg złoto129 J/kg*deg woda 1 cal/g*deg 4190 J/kg*deg lód0.5 cal/g*deg alkohol etylowy0.5 cal/g*deg białko jaja3850 J/kg*deg żółtko jaja2810 J/kg*deg hel5200 J/kg*deg wodór14300 J/kg*deg

25 Prawo Fouriera Gęstość przewodzonego strumienia ciepła jest wprost proporcjonalna do natężenia pola temperatury E, określonego przez wielkość gradientu temperatury Pomiary własności cieplnych gdzie jest współczynnikiem przewodnictwa cieplnego Zbiornik ciepła T 1 Chłodnica T 2 l S

26 Równanie przewodzenia ciepła mechanizmy: - fonony - elektrony Pomiary własności cieplnych

27 Dla sześcianu o boku a Dla kuli o promieniu R Dla skończonego walca o promieniu r i długości z Dla prostopadłościanu o bokach a, b, c

28 Pomiary własności cieplnych Substancja Metale Stal nierdzewna 14 Miedź 401 Srebro 428 Gazy Powietrze suche 0,0026 Hel 0,15 Materiały budowlane Pianka poliuretanowa 0,0024 Wełna mineralna 0,0043 Drewno sosnowe 0,11 Szkło okienne 1,0 Współczynniki przewodnictwa cieplnego

29 Analiza termiczna Analiza termiczna - zespół metod badania zmian wybranych właściwości fizycznych i chemicznych substancji pod wpływem zmian temperatury Analiza termiczna: - badanie reakcji chemicznych i przemian fazowych zachodzących podczas ogrzewania substancji, - wyznaczanie parametrów fizycznych, termodynamicznych i kinetycznych reakcji (np.: energia, masa, długość, objętość), - określanie składu fazowego i chemicznego substancji (jakościowo i ilościowo), - określanie czystości surowców, - wyznaczanie trwałości termicznej.

30 Analiza termiczna Podział metod analizy termicznej: - Termograwimetria (TG) – rejestrująca zmiany ciężaru próbki, - Termiczna analiza różnicowa (DTA) – rejestrująca zmiany temperatury, - Różnicowa kalorymetria scanningowa (DSC) – rejestrująca zmiany entlapii, - Analiza termocząstkowa (EGA), termiczna analiza emanacyjna (EGD) – rejestrujące objętość i skład chemiczny gazowych produktów reakcji, - Analiza termomechaniczna (Termodylatometria) – rejestrująca zmiany liniowych wymiarów próbki i ich niektórych właściwości mechanicznych – analiza termomechaniczna, - Termosonimetria - rejestrująca natężenie efektów akustycznych towarzyszących reakcjom, - Termoelektrometria – rejestrująca przewodnictwo, oporność oraz pojemność elektryczną, - Termomagnetometria – rejestrująca zmiany podatności magnetycznej próbki, - Termooptometria – rejestrująca zmiany zespołu własności optycznych substancji

31 Analiza termiczna Termograwimetria (TGA) Termograwimetria: rejestrowanie zmian masy substancji podczas ogrzewania lub studzenia w funkcji czasu lub temperatury lub pomiar zmiany masy substancji ogrzewanej izotermicznie w funkcji czasu. Termowagi - wagi, gdzie do szalki przymocowany jest tygiel z badaną próbką umieszczony w ogrzewanym piecu (wzrost lub spadek temperatury ma charakter liniowy). Straty masy powodowane są przez: przemiany fazowe (parowanie, sublimacja) dysocjację termiczną połączoną z utratą np.: wody, dwutlenku węgła, etc. przemiany redukcji (redukcja) przemiany reakcji (utlenienie)

32 Analiza termiczna Termograwimetria (TGA)

33 Analiza termiczna Metodę termograwimetrii stosuje się do: oznaczania wilgoci analizy składu stechiometrycznego i identyfikacji produktów rozkładu, oznaczania produktów gazowych i analizy ilościowej porównywania trwałości termicznej, charakterystyki surowców. Termograwimetria (TGA) Główne typy przebiegu krzywych w analizie termo grawimetrycznej. Krzywa zielona przedstawia ubytek masy [%] podczas pomiaru. Krzywa niebieska szybkość utraty masy.

34 Analiza termiczna Termograwimetria (TGA) Po lewej komórka elementarna izolatora YBa 2 Cu 3 O 6 po prawej komórka elementarna nadprzewodnika YBa 2 Cu 3 O 7 Nadprzewodnik wysokotemperaturowy T c = 92 K

35 Analiza termiczna Termiczna analiza różnicowa DTA DTA - wykrywanie efektów cieplnych, które towarzyszą przemianom fizycznym lub chemicznym. Polega na rejestracji różnicy temperatur pomiędzy substancją badaną a substancją wzorcową (odniesienia), względem czasu lub temperatury. Substancja odniesienia - w danym zakresie temperatur nie podlega żadnym przemianom fizycznym lub chemicznym (najczęściej stosuje się Al 2 O 3 lub MgO) Termiczna analiza różnicowa - na identyfikacji związków, które w badanym zakresie temperatur ulegają przemianom egzotermicznym lub endotermicznym. A wśród nich wyróżnić można: - reakcje chemiczne (utlenianie, redukcja, dysocjacja, synteza), - procesy fizyczne, głównie przemiany fazowe: - ze zmianą stanu skupienia (sublimacja, wrzenie, topnienie, krystalizacja) - bez zmiany stanu skupienia (przemiany magnetyczne, polimorficzne).

36 Analiza termiczna Termiczna analiza różnicowa DTA

37 Analiza termiczna Skaningowa kalorymetria różnicowa - technika służąca do pomiaru różnicy dopływających do próbki badanej i do próbki odniesienia strumieni cieplnych, która występuje pod wpływem narzuconych im zmian temperatury Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) Zastosowanie Zastosowanie Skaningowej kalorymetrii różnicowej: 1.Pomiary efektów cieplnych: przemian fazowych I rzędu (ciepło topnienia, krzepnięcia, przemian fazowych ciało stałe - ciało stałe, ciepło parowania przemian fazowych związków tworzących fazy ciekłokrystaliczne), reakcji chemicznych (polimeryzacji, rozkładu termicznego, dysocjacji, itp.) 1.Oznaczanie pojemności cieplnej C p. 2.Przemiany fazowe II rzędu (ΔC p i temperatura zeszklenia w polimerach). 3.Oznaczanie parametrów kinetycznych reakcji chemicznych (syntezy, polimeryzacji, termicznego rozkładu). 4.Oznaczanie parametrów fizykochemicznych związku niezbędnych do wyznaczenia masy krytycznej i temperatury krytycznej cieplnego wybuchu, a także bezpośrednio temperatury krytycznej dla geometrii badanego układu. 5.Badanie diagramów fazowych ciecz - kryształ w układach wieloskładnikowych.

38 Analiza termiczna Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) piec termopary

39 Analiza termiczna Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) Podczas ogrzewania lub chłodzenia różnica temperatur między pojemnikami ΔT=0 przemiana w próbce zakłóca równowagę dodatkowy element grzewczy dostarcza tyle energii aby skompensować różnicę temperatur doprowadzona energia odpowiada entalpii przemiany H (H=U+pV, dH=dU+dpV+pdV) mierzy się strumień energii dostarczanej do próbki

40 Analiza termiczna Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC) Równanie opisujące zjawiska w DSC Endo temperatura Przepływciepła Exo T g (T mg ) T pc T pm m – topnienie g – zeszklenie c – krystalizacja

41 Analiza termiczna Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC)

42 Analiza termiczna Analiza termomechaniczna (Termodylatometria, thermomechanical analysis TMA) Analiza termomechaniczna - metoda, w której w funkcji temperatury badane są zmiany właściwości mechanicznych próbki. Najczęściej spotykaną odmianą metody TMA jest termodylatometria – wykonuje się pomiary zmiany wymiarów próbki w funkcji temperatury przy zaniedbywanym obciążeniu mechanicznym (tj. na próbkę nie działają żadne siły ściskające, za wyłączeniem siły grawitacji i ciśnienia otaczającej atmosfery gazowej). Analiza TMA jest przydatna w badaniach polimerów i ich kompozytów, można wówczas określać stopień kurczenia się materiału na skutek jego ogrzewania

43 Analiza termiczna w badaniach nanomateriałów Analiza termiczna Analiza termiczna jest szeroko stosowana w badaniach nanomateriałów. Poniższe wybrane przykłady pokazują, że analiza termiczna może dostarczyć szeregu istotnych i cennych informacji. Określanie czystości nanorurek węglowych Surowy produkt, oprócz nanorurek, zawiera cała gamę zanieczyszczeń Najczęściej są to: (i)nanocząstki katalizatora (ii)węgiel amorficzny Analizie metodą TGA Określanie ilości przyłączonych molekuł do magnetycznych nanocząstek węglowych. Określanie ilości przyłączonych molekuł do magnetycznych nanocząstek węglowych (nanocząstki magnetyczne zakapsułkowane w węglu są unikalnym nanokompozytem)

44 Wektory translacji sieci Podstawowe wektory translacji definiują sieć w taki sposób, że ułożenie atomów wygląda tak samo z punku jak i z punktu. Gdzie są dowolnymi liczbami całkowitymi. jest wektorem translacji sieci. Mówimy, że kryształ jest niezmienniczy ze względu na translację. Sieć odwrotna

45 Komórka Wignera-Seitza – schemat wyodrębniania komórki elementarnej. - łączymy liniami węzeł ze wszystkimi sąsiadami - pośrodku linii prowadzimy proste prostopadłe

46 Sieć odwrotna Jeżeli, są podstawowymi wektorami sieci krystalicznej, to podstawowe wektory sieci odwrotnej,są zdefiniowane nastepująco:

47 Sieć odwrotna Sieć odwrotnej - definiuja komórki elementarnej (podobnie jak w sieci prostej). Komórkę elementarną sieci odwrotnej nazywamy pierwsza strefą Brillouina. Konstrukcja pierwszej strefy jest identyczna z konstrukcją komórki Wignera- Seitza sieci prostej. sc fcc bcc

48 Badania powierzchni ciała stałego Dyfrakcja elektronów niskoenergetycznych (LEED) LEED pozwala na określenie struktury powierzchni materiałów krystalicznych. Polega ona na bombardowaniu powierzchni skolimowaną wiązką elektronów o niskiej energii ( eV) - obserwacja dyfrakcji elektronów na ekranie fluorescencyjnym lub kamera CCD Głębokość penetracji strumienia elektronów nie przekracza kilku lub kilkunastu stałych sieci. (LEED - low energy electron diffraction)

49 Badania powierzchni ciała stałego Dyfrakcja elektronów niskoenergetycznych (LEED)

50 Badania powierzchni ciała stałego Dyfrakcja elektronów niskoenergetycznych (LEED)

51 Badania powierzchni ciała stałego Dyfrakcja elektronów niskoenergetycznych (LEED) Obraz LEED otrzymany dla Si(111)

52 Badania powierzchni ciała stałego Dyfrakcja elektronów wysokoergetycznych (RHEED) Elektrony o energii keV – kierowane w kierunku powierzchni próbki pod kątem q i bliskim 90°- zachowuje bardzo długą drogę (wysoką energię) elektronów w pobliżu powierzchni. Podnosi to czułość powierzchniową oraz pozwala wyznaczyć wektor falowy k, który jest związany z wektorem sieci odwrotnej. Dla 50 keV rozdzielczość: Å oraz k = 114 Å -1 (RHEED - Reflection high-energy electron diffraction)

53 Badania powierzchni ciała stałego Dyfrakcja elektronów wysokoergetycznych (RHEED) Badanie chropowatości RHEED posiada bardzo dużą czułość na chropowatość powierzchni ( Å) Długa droga elektronów pozwala uzyskać obrazy małych powierzchni podobnych do dyfrakcji na dużej próbce. Wysoka czułość RHEED-u na chropowatość może być wykorzystana do badania chropowatości w czasie wzrostu cienkich warstw.

54 Badania powierzchni ciała stałego Dyfrakcja elektronów wysokoergetycznych (RHEED) Odbiciowa dyfrakcja wysokoenergetycznych elektronów RHEED jest eksperymentalną techniką pozwalającą na nieinwazyjne badanie powierzchni kryształów oraz monitorowanie wzrostu cienkich warstw w procesie epitaksji z wiązki molekularnej. Technika ta umożliwia również orientację kryształu wzdłuż wybranego kierunku krystalograficznego oraz identyfikację rekonstrukcji tworzących się na powierzchni. W doświadczeniu RHEED wiązka elektronów jest ogniskowana przy pomocy soczewki magnetycznej oraz przyspieszana napięciem 18 kV. Cewki ustawione wzdłuż toru elektronów pozwalają nakierować wiązkę na powierzchnię badanego kryształu pod niewielkim kątem, nie większym niż 5 o. Duża energia elektronów oraz niewielki kąt padania wiązki sprawiają, że technika RHEED jest wrażliwa na zjawiska zachodzące na powierzchni badanych substancji.

55 Spektroskopia masowa Technika analityczna, zaliczana do metod spektroskopowych, której podstawą jest pomiar stosunku masy do ładunku elektrycznego danego jonu. Spektrometria masowa znajduje szerokie zastosowania w bardzo różnorodnych badaniach fizycznych, chemicznych, biologicznych. Pomiar sprowadza się do wyznaczania co najwyżej trzech parametrów charakteryzujących daną wiązkę jonową: masy jonów zawartości jonów poszczególnych mas w wiązce energii jonów

56 Spektroskopia masowa Rozdzielczość spektrometru – wartość liczbowa informująca o możliwości rozróżnienia na widmie masowym pików o zbliżonych masach. W przypadku pojedynczego piku wartość określająca dokładność oznaczenia masy cząsteczkowej (atomowej) substancji analizowanej. Jeśli spektrometr masowy w danym momencie analizy posiada rozdzielczość R=1000 istnieje możliwość rozróżnienia pików o m/z=1000 oraz m/z=1001. Dla izolowanego piku rozdzielczość definiuje jego szerokość połówkową, tzn. dla R=1000 i piku o m/z=1000 stosunek jego wysokości do szerokości w 0,5 wysokości wynosi co najmniej 10 (H/L 0,5h>=10) m/z - stosunek wartości masy do liczby ładunków

57 Spektroskopia masowa Za pomocą spektrometru mas można z interesującej nas próbki gazowej, ciekłej lub stałej uzyskać wiązkę jonową, przeprowadzić jej rozdzielenie w zależności od mas jonów zawartych w wiązce, a następnie wyznaczyć natężenia prądów jonowych odpowiednich mas. Do analizy najczęściej stosuje się jednorodne sektorowe pole magnetyczne, radialne pole elektryczne (rzadziej) lub kombinacje obu takich pól. Mają one własność ogniskowania, tj. wytwarzania obrazu przedmiotu oraz posiada możliwość wyznaczenia dyspersji mas.

58 Spektroskopia masowa SEKTOROWE POLE MAGNETYCZNE W jednorodne pole magnetyczne o kącie rozwarcia , dla którego wektor indukcji magnetycznej równy jest B, wchodzi prostopadle do B rozbieżna wiązka jonów. Ładunek jonów oznaczymy q=ne, gdzie e jest ładunkiem elementarnym, n - krotnością jonizacji. Masę jonów w gramach oznaczymy symbolem m, zaś w jednostkach masy atomowej - M. Oznaczając prędkość jonu symbolem v, a promień krzywizny toru w polu magnetycznym r, siłę Lorentza, równość siły dośrodkowej i siły Lorentza opisują wzory: Sektorowe jednorodne pole magnetyczne jest analizatorem pędów

59 Spektroskopia masowa W szczególnym przypadku wprowadza się w pole magnetyczne monoenergetyczną wiązkę jonów uzyskaną dzięki przyspieszeniu ich określoną różnicą potencjałów U: Za pomocą sektorowego pola magnetycznego, działającego na monoenergetyczną wiązkę jonów, można wyznaczać stosunki m/q, a przy znanej krotności jonizacji wprost masy jonów. W spektrometrze mas, działającym na tej zasadzie, promień krzywizny r jest stały i określony układem szczelin.

60 Spektroskopia masowa Widmo mas można uzyskać w dwojaki sposób: ustalając napięcie przyspieszające jony U, a tym samym i ich energię, i zmieniając pole magnetyczne B lub też odwrotnie przy stałym polu magnetycznym zmieniając napięcie przyspieszające. W spektrometrze mas promień krzywizny określony jest geometrią aparatury, w szczególności układem szczelin.

61 Spektroskopia masowa Na kolektorze spektrometru zostają zogniskowane jony o wybranej wartości M/q w zależności od przyłożonego napięcia przyspieszającego U i wartości pola magnetycznego B. Przy zdejmowaniu widma mas jeden z dwóch ostatnich parametrów ustalamy, drugi zaś zmieniamy. Ponieważ zmiana napięcia przyspieszającego jony może wpływać na własności ogniskujące układu przyspieszającego, zazwyczaj ustalamy napięcie, a tym samym i energię jonów, natomiast zmieniamy pole magnetyczne.

62 Spektroskopia masowa

63

64 ŹRÓDŁA JONÓW SPEKTROMETRÓW MAS Źródła jonów, służące do wytwarzania ukierunkowanych strumieni jonów, są jednym z najważniejszych elementów spektrometru mas. Różnice konstrukcyjne źródeł jonów wynikają głównie z różnych sposobów wytwarzania oraz formowania strumieni jonowych. W stosowanych obecnie spektrometriach mas analizę jonów w zależności od wartości stosunku m/e, a przy jednakowych ładunkach wszystkich jonów w zależności od masy, przeprowadza się przy użyciu jednorodnego sektorowego pola magnetycznego. W związku z tym przed źródłami jonów stawiane są wysokie wymagania dotyczące monoenergetyczności wytwarzanego w nich strumienia jonów. Spektroskopia masowa

65 Jony tworzą się pod wpływem bombardowania substancji elektronami, atomami, jonami, swiatłem laserowym itp. Utworzony jon rozpada się następnie na pewną liczbę mniejszych jonów, o charakterystycznych masach pozwalających na ich identyfikację. Wyróżnia się następujące typy jonów: jon molekularny — jon o masie równej masie cząsteczkowej związku z dokładnością do masy elektronu. jon pseudomolekularny — jon powstający po dołączeniu do cząsteczki jonów H +, Na +, Cl + lub lub odłączeniu jonu H +. jony fragmentacyjne — pod wpływem jonizacji cząsteczka może ulec rozbiciu na pewną liczbę jonów o charakterystycznych masach.

66 Spektroskopia masowa Różnice energii poszczególnych jonów w strumieniu nie mogą przekraczać kilku eV przy całkowitej energii strumienia jonów wynoszącej kilka keV. Najczęściej stosowane są następujące metody wytwarzania strumieni jonów: jonizacja atomów lub cząsteczek za pomocą bombardowania elektronami jonizacja przy wykorzystaniu różnych typów wyładowania w gazie termiczna emisja jonów z powierzchni ciał stałych jonizacja przez rozpylanie w polu elektrycznym jonizacja chemiczna jonizacja wiązką laserową

67 Spektroskopia masowa Najważniejsze elementy źródeł jonów: komora jonizacji układ szczelin wyciągających jony z obszaru jonizacji - układ ekstrakcji jonów układ formujący wyciągnięte jony w wiązkę jonową-układ ogniskujący układ przyspieszający jony do żądanej energii. Podstawowe parametry charakteryzujące źródła jonów: natężenia całkowitego prądu jonowego I+, wychodzącego ze źródła w postaci zogniskowanej wiązki jonów gęstość prądu jonowego j skład wiązki jonów rozrzut energetyczny wytwarzanych jonów sprawność źródła, zdefiniowana stosunkiem liczby wyprodukowanych jonów do liczby atomów lub cząsteczek obojętnych dostarczonych do źródła

68 Spektroskopia masowa Analizatory stosowane w spektrometrach masowych analizatory magnetyczne, analizatory kwadrupolowe, analizatory mierzące czas przelotu jonów, analizatory cyklotronowego rezonansu jonowego. Najwazniejsze cechy analizatora: rozdzielczość, zakres mas cząsteczkowych w których można wykonywać pomiar, czułość

69 Spektroskopia masowa Detektory Zadaniem detektorów jest rejestracja jonów przechodzących przez analizator Puszka Faradaya (metalowa, cylindryczna komora z otworem. Gdy jony docierają do dna puszki oddają jej swój ładunek, co powoduje przepływ niewielkiego prądu podlegającego rejestracji. Detektory te charakteryzują się małą czułością. Powielacz elektronowy (detektor zbudowany z serii płytek, do których przyłączono wysokie napięcie. Jony po uderzeniu w pierwszą płytkę (dynodę konwersyjną), powodują emisję elektronów, które z kolei uderzają w następną płytkę (dynodę) powodując wybicie większej liczby elektronów. Elektrony są powielane. W nowszych konstrukcjach powielaczy elektronowych serię dynod zastępuje się zakrzywioną zwężającą się rurą (powielacz elektronowy o dynodzie ciągłej).. Powielacze elektronowe są bardzo czułymi detektorami) Detektor mikrokanalikowy (płytka z niewielkimi (4-25 μm), zakrzywionymi otworami. Półprzewodnikowa powierzchnia otworów emituje elektronóy. Emisja kaskadowa. Detektor fotopowielaczowy (dwie dynody konwersyjne (jedna dla jonów dodatnich druga dla jonów ujemnych), ekran fluorescencyjny i fotopowielacz. Jony wpadające do detektora uderzają w dynodę konwersyjną powodując emisję elektronów. Elektrony są kierowane na ekran fluorescencyjny przy pomocy pola elektrycznego. Po uderzeniu elektronu w ekran emitowane są fotony, które trafiają do fotopowielacza. Detekcja w analizatorze cyklotronowego rezonansu jonów (ICR) — analizatory ICR są jednocześnie detektorami jonów, nie wymagają one instalacji dodatkowych detektorów.

70 Spektroskopia masowa Spektrometr masowy IsoPrime

71 Rozpraszanie neutronów Neutrony nie posiadają ładunku, zatem nie oddziałują z elektronami materii (nie wywołują bezpośrednio jonizacji) - łatwo penetrują materię. Neutrony mogą przenikać przez warstwy materii bez żadnego oddziaływania - nie istnieje dla nich bariera elektrostatyczna (utrudnia to ich rejestrację). Efekty jonizacji wywołane być mogą przez cząstki wtórne, które mogą stanowić mierzalny sygnał - stąd rejestracja neutronów prowadzona jest metodami pośrednimi, podobnymi do metod rejestracji fotonów. Neutrony oddziałują prawie wyłącznie z jądrami atomowymi absorbentu.

72 W rezultacie wywoływać one mogą następujące zjawiska: 1.Rozproszenie elastyczne (sprężyste) na lekkich jądrach 2.Rozproszenie nieelastyczne (niesprężyste) prowadzące do wzbudzenia jąder – emisja promieniowania  3.Wychwyt neutronów (absorpcja) - reakcje jądrowe (emisja protonów i cząstek  ), rozszczepienia jąder Rozpraszanie neutronów Spójne Niespójne Elastyczne Nieelastyczne Spójne elastyczne Spójne nieelastyczne Niespójne elastyczne Niespójne nieelastyczne

73 powolne neutronyET [K]λprocesy zimne~ 1meV~ 12~ 9Å(n,γ) termiczne~ 25meV~ 293~ 1.8Å(n,γ) rezonans.1eV ÷ 1000eV104 ÷ Å ÷ 10- 2Å (n,γ) + rozpraszanie pośrednie1keV ÷ 0.5MeV107 ÷ Å ÷ 40fm (n,γ) + (n,p) (n,α) + rozpraszanie prędkie 0.5MeV ÷ 50MeV 5109 ÷ fm ÷ 4fm rozpraszanie + (n,p) (n,α) wysokich energii> 50MeV> 51011< 4fmrozpraszanie Rozpraszanie neutronów

74 Reakcje jądrowe neutronów – rozszczepienie Energie progowe E pr na reakcję rozszczepienia i minimalna energia kinetyczna neutronu E k min A E pr, MeV ~0~0 ATh-232U-233U-235U-238Pu-239 E k min, MeV1.3~ 0 1.2~ 0

75 Rozpraszanie neutronów Źródła neutronów – reaktory. Polski reaktor „Maria” KANAŁ nr 3 DYFRAKTOMETR I SPEKTOMETR Z PODWOJONYM MONOCHROMATOREM. KANAŁ nr 4 SPEKTOMETR NISKOKATOWEGO ROZPROSZENIA. KANAŁ nr 5 SPEKTOMETR SPOLARYZOWANYCH NEUTRONÓW. KANAŁ nr 6 TRÓJOSIOWY SPEKTOMETR NEUTRONÓW. KANAŁ nr 7 TRÓJOSIOWY SPEKTOMETR NEUTRONÓW. KANAŁ nr 8 STANOWISKO RADIOGRAFII NEUTRONOWEJ.

76 Rozpraszanie neutronów Spektrometr neutronów z podwójnym monochromatorem jest wielozadaniowym przyrządem, pozwalającym na prowadzenie badań struktur krystalicznych i magnetycznych, dynamiki sieci krystalicznej i magnetycznej, a także na wyznaczanie poziomów energii pól krystalicznych. Spektrometry Spektrometr neutronów spolaryzowanych Metoda badawcza polega na pomiarze natężenia neutronów rozproszonych i na porównaniu natężeń dla polaryzacji zgodnej z kierunkiem namagnesowania i przeciwnej. Metody radiografii neutronowej i promieniowania gamma (RNG) są nieniszczącymi metodami diagnostycznymi o dużym zasięgu penetracji. Dwukrystaliczny spektrometr niskokątowego rozpraszania neutronów

77 Dyfrakcja neutronów (neutronografia) rozpraszanie spójne elastyczne INS rozpraszanie nieelastyczne (spójne i niespójne) QENS rozpraszanie niespójne (prawie) elastyczne Rozpraszanie neutronów Wybrane metody badawcze Uzyskane informacje : - skala czasowej oraz geometrii szybkich (  ~ ps), stochastycznych ruchów molekuł i grup molekularnych. - struktur krystalicznych i magnetycznych - badanie zarówno ruchów translacyjnych jak i reorientacyjnych - metody komplementarne do badań relaksacji dielektrycznej

78 Rozpraszanie neutronów Dyfrakcja neutronów rozpraszanie spójne elastyczne (struktura krystalograficzna i magnetyczna) INS rozpraszanie nieelastyczne spójne i niespójne (krzywe dyspersji, gęstość stanów wzbudzonych (fonony, magnony, …))

79 Rozpraszanie neutronów QENS (rozpraszanie niespójne, poszerzone maksimum elastyczne) - szybkie (~ps) ruchy stochastyczne molekuł i grup molekularnych - ruchy translacyjne i rotacyjne (reorientacja)

80 Układy jednostek miar Układ jednostek miar – uporządkowany i spójny zbiór jednostek miar, za pomocą których można mierzyć wielkości fizyczne Układy miar oparte na wielkościach: długość-masa-czas (LMT), (uzupełnionym ewentualnie o temperaturę, natężenie prądu elektrycznego i inne wielkości podstawowe): -CGS -MKS -MKSA -MTS -SI -Anglosaski układ jednostek miar Układy miar oparte na wielkościach: długość-siła-czas (LFT): MKGS (ciężarowy) Historyczne układy miar: Staropolski układ jednostek miar Nowopolski układ jednostek miar Miary greckie

81 Układy jednostek miar Układ jednostek miarskłada s Układ jednostek miar składa się z jednostek miar podstawowych (elementarnych) przyjętych umownie oraz zbudowanych na ich podstawie jednostek pochodnych Jednostką miary spójną nazywa się jednostkę miary wyrażoną za pomocą jednostek podstawowych wzorem, w którym współczynnik liczbowy jest równy jedności. Układem spójności jednostek miar nazywa się układ jednostek miar ze zbioru jednostek podstawowych i z pochodnych jednostek spójnych

82 Układy jednostek miar Układ jednostek miar CGS (Centymetr Gram Sekunda) nazywany bezwzględnym układem jednostek. Zastąpiony przez układ SI ?????. Jednostki podstawowe: centymetr (cm), gram (g), sekunda (s) „Każda dziedzina wiedzy i techniki posługuje się własnymi jednostkami wielkości. Milion elektronowoltów (MeV) jest jednostką w fizyce jądrowej, kilokaloria – jednostką energii w chemii, a kilowatogodzina – jednostką energii używaną w technice. (...) W publikacjach fizycznych stosuje się przeważnie trzy układy jednostek: układ Gaussa CGS, MKS i praktyczny. Każdy naukowiec i inżynier, jeżeli chce korzystać z literatury fizycznej, musi znać wszystkie te trzy układy jednostek” Charles Kittel, Walter D Knight, Malvin A Rudeman, Mechanika, (Berkeley Physics Coures – Volume I)

83 Układy jednostek miar Układ jednostek miar CGS przykłady jednostek pochodnych: dyna=g*cm/s 2 bar=10 6 dyna/cm 2 Układ jednostek miar MKS Jednostki podstawowe: metr (m), kilogram (kg), sekunda (s) Układ jednostek miar MKSA Jednostki podstawowe: metr (m), kilogram (kg), sekunda (s), amper (A).

84 Układy jednostek miar Układ jednostek miar MTS Jednostki podstawowe: metr (m), tona (t), sekunda (s) Układ jednostek miar ciężarowy Jednostki podstawowe: metr (m), kilogram-siła (kG), sekunda (s). Jednostką masy jest w tym układzie inert. 1 inert = 1 kg*s 2 /m = 9,80665 kg Energia 1 kilogramometr = 9,80665 J. Moc 1 kilogramometr/s = 9,80665 W i jego wielokrotność koń mechaniczny. Ciśnienia 1 kG/m 2 = 9,80665 Pa i jego wielokrotność atmosfera techniczna = ,5 Pa.

85 Układy jednostek miar Układ SI

86 Układy jednostek miar Sekunda (łac. secunda - następna, najbliższa) - jednostka podstawowa większości układów jednostek miar np. SI, MKS, CGS - oznaczana s. Termin sekunda pochodzi od łacińskiego wyrażenia pars minuta secunda (druga mała część). Jest to czas równy okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego 2 S 1/2 atomu cezu 133 Cs (powyższa definicja odnosi się do atomu cezu w spoczynku, w temperaturze 0 K). Definicja ta, obowiązująca od 1967 r., została ustalona przez Międzynarodowy Układ Jednostek Miar. Poprzednio sekundę definiowano jako 1/ ,9747 część roku zwrotnikowego 1900 lub 1/86400 część doby. Jednostka czasu

87 Układy jednostek miar Zegar atomowy - wzorzec częstotliwości Dokładność takich zegarów dochodzi do , co oznacza sekundy (1/10 nanosekundy) na dzień. Zegary te utrzymują ciągły i stabilny czas TAI (z fr. Temps Atomique International). Wzorzec - światowy czas uniwersalny UTC. Pierwszy zegar atomowy został zbudowany w 1949 roku w amerykańskim National Bureau of Standards. Pierwszy zegar atomowy bazujący na drganiu atomów cezu-133, zbudował Louis Essen w roku 1955 w National Physical Laboratory w Anglii.

88 Układy jednostek miar OBSERWATORIUM ASTROGEODYNAMICZNE CENTRUM BADAŃ KOSMICZNYCH PAN Borowiec ul. Drapałka Kórnik Laboratorium Czasu i Częstotliwości, we współpracy z Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), zaangażowane jest w tworzeniu międzynarodowej skali czasu atomowego TAI i UTC i polskiej skali czasu atomowego TA(PL). Wyposażenie w cztery zegary atomowe i najnowsze systemy dowiązania skal czasu pozwala na utrzymanie wysokiej dokładności pomiaru czasu, z błędem pomiarów czasu 100 pikosekund. Jest to jeden z najlepszych wyników wśród laboratoriów czasu na świecie. Laboratorium Czasu i Częstotliwości wraz z innymi laboratoriami zrzeszonymi w krajowym TA(PL) tworzy Polską Skalę Czasu oraz współuczestniczy w tworzeniu światowego czasu uniwersalnego UTC. Obserwatorium w Borowcu, to jedyna polska placówka, która współtworzy i będzie brała czynny udział w europejskim systemie GALILEO.

89 Układy jednostek miar

90 GPS-NAVSTAR (ang. Global Positioning System – NAVigation Signal Timing And Ranging) – system nawigacji satelitarnej obejmujący zasięgiem całą Kulę Ziemską. Zasada działania polega na pomiarze czasu dotarcia sygnału radiowego z satelitów do odbiornika. Znając prędkość fali elektromagnetycznej można obliczyć odległość odbiornika od satelitów. Pomiar aktualnego czasu GPS z dokładnością do jednej milionowej sekundy. System GPS jest utrzymywany i zarządzany przez Departament Obrony USA. Korzystać z jego usług może w zasadzie każdy - wystarczy tylko posiadać odpowiedni odbiornik GPS. Takie odbiorniki są produkowane przez niezależne firmy komercyjne.

91 Układy jednostek miar System GPS składa się z zestawu 31 (wcześniej 24) satelitów krążących wokół Ziemi po określonych orbitach. System pracuje na obszarze całej Ziemi, bo w każdym punkcie globu widoczne są zawsze przynajmniej cztery satelity. Satelity krążą po orbitach na wysokości około km nad powierzchnią Ziemi. Jest to orbita niższa od geostacjonarnej

92 Układy jednostek miar Definicja metra Metr – jednostka podstawowa długości w układach: SI, MKS, MKSA, MTS Metr został zdefiniowany 26 marca 1791 roku we Francji w celu ujednolicenia jednostek odległości długość równa długości mierzonej wzdłuż południka paryskiego od równika do bieguna. Na podstawie tej definicji wykonano wzorzec metra. W trakcie powtórnych pomiarów stwierdzono różnice między wzorcem a definicją mm I Generalna Konferencja Miar (1889) określiła metr jako odległość między odpowiednimi kreskami na wzorcu platynowo - irydowym, równą 0, · połowy południka ziemskiego. Wzorzec przechowywany jest w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sèvres koło Paryża. 200 nm XI Generalna Konferencja Miar (1960) zdefiniowała metr jako długość równą ,73 długości fali promieniowania w próżni odpowiadającego przejściu między poziomami 2p 10 a 5d 5 atomu 86 Kr (kryptonu 86) 4 nm 1983 XVII Generalna Konferencja Miar i Wag - mnetr jest to odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/ s nm

93 Układy jednostek miar Definicja metra

94 Analiza błędów (Niepewności) Pomiarowych Pomiar wielkości fizycznej polega na porównaniu jej z wielkością tego samego rodzaju przyjętą za jednostkę. Liczba otrzymana jako wynik pomiaru zależy od wyboru jednostki (przykład: pomiar długości w cm, m, ft, in itp.). Wynik pomiaru musi więc zawsze składać się z dwóch części: wartości liczbowej oraz jednostki Pomiary wielkości fizycznych dzielimy na bezpośrednie i pośrednie. Niezależnie od metody pomiarów nie możemy nigdy bezwzględnie dokładnie wyznaczyć rzeczywistej wartości wielkości fizycznej. Różnicę pomiędzy wynikiem pomiaru, a rzeczywistą wartością mierzonej wielkości nazywamy błędem pomiaru. Błędy pomiarów tradycyjnie dzielimy na grube (omyłki), przypadkowe oraz systematyczne.

95 Analiza błędów (Niepewności) Pomiarowych Błędy grube powstają zwykle na skutek nieuwagi lub niestaranności obserwatora przy odczytywaniu lub zapisywaniu wyników lub w wyniku nagłej zmiany warunków pomiaru (np. wstrząsy). Jeśli mamy serię pomiarów wyniki obarczone błędem grubym są łatwe do wykrycia i usunięcia. Błędy systematyczne wynikają z niedoskonałości przyrządów i metod pomiarowych. Można je redukować stosując bardziej doskonałe i precyzyjne metody i przyrządy, jednak całkowite wyeliminowanie błędów systematycznych jest niemożliwe. Rozpoznane błędy systematyczne należy uwzględniać poprzez wprowadzenie odpowiednich poprawek do wyniku, Błędy przypadkowe występują zawsze. Wynikają one z różnych przypadkowych i nie dających się uwzględnić czynników (np. wahania temperatury, lub ruch powietrza w pobliżu przyrządu pomiarowego). Inną przyczyną może być niezgodność przyjętego modelu z obiektem mierzonym – np. gdy mamy zmierzyć średnicę pręta, zakładamy milcząco, że jest on idealnym walcem, co nie jest prawdą. O istnieniu błędów przypadkowych świadczy niepowtarzalność wyników pomiaru jednej i tej samej wielkości. Błędy przypadkowe redukuje się poprzez wielokrotne powtarzanie pomiaru – zachodzi wówczas częściowa kompensacja przypadkowych zawyżających i zaniżających odchyłek wyniku.

96 Analiza błędów (Niepewności) Pomiarowych Wykonujemy serię n pomiarów bezpośrednich wielkości fizycznej X otrzymując wyniki X 1, X 2...X n. odchylenie standardowe wartości średniej Postulat Gaussa Wykonujemy tylko jeden pomiar błąd maksymalny

97 Analiza błędów (Niepewności) Pomiarowych

98 Wyniki pomiaru zapisujemy zawsze łącznie z niepewnością i jednostką. Niepewność podajemy zawsze z dokładnością do jednej cyfry znaczącej z wyjątkiem sytuacji gdy pierwszą cyfrą znaczącą jest jedynka; wówczas podajemy dwie cyfry znaczące. Liczbę cyfr znaczących wyniku dobieramy tak, aby ostatnia cyfra rezultatu i niepewności należały do tego samego rzędu. Dla niepewności standardowych zalecany jest zapis z użyciem nawiasów, natomiast dla niepewności rozszerzonej stosowany jest zapis z wykorzystaniem symbolu 

99 A Oleś, Metody eksperymentalne fizyki ciała stałego A Oleś, Współczesne metody eksperymentalne fizyki fazy skondensowanej

100

101 Analiza błędów (Niepewności) Pomiarowych

102

103

104 dyfrakcja jonów niskoenergetycznych LEID spektroskopia masowa jonów wtórnych SIMS spektroskopia masowa rentgenowska radioizotopowa analiza fluorescencyjna emisja promieniowania X pobudzana cząstkami PIXE mketoda koincydencyjna (e, 2e) anihilacja pozytonów

105

106

107

108 Pomiary własności cieplnych


Pobierz ppt "AFM - Mikroskopia Sił Atomowych Siły van der Waalsa Bond typeDissociation energy (kcal/mol) Covalent400 Hydrogen bonds12–16 Dipole–dipole0.5–2 London Forces<1."

Podobne prezentacje


Reklamy Google