Post on 08-Jan-2016
description
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych
Siły van der Waalsa
Bond type Dissociation energy (kcal/mol)
Covalent 400
Hydrogen bonds 12–16
Dipole–dipole 0.5–2
London Forces <1
+ - + -
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych
Siły van der Waalsa
AFM - Mikroskopia Sił AtomowychSiły van der Waalsa
62121
11)(
rc
rcrV
2)(
2
r
pkrV
qap
Dipol elektryczny
AFM - Mikroskopia Sił AtomowychSiły van der Waalsa
Modkontaktowy
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)
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych
Budowa oraz zasada działania mikroskopu AFM
Ostrze jest umocowane na swobodnym końcu dźwigni o długości 100-200 μm.
Detektor mierzy ugięcie dźwigni podczas, skanowania próbki lub gdy próbka jest przesuwana pod ostrzem.
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych
Metody pomiaru odchylenia dźwigni
AFM - Mikroskopia Sił AtomowychDetekcja AFM / LFM (lateral)
Równoczesna generacja danych dla AFM i LFM
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych
Mikroskop sił lateralnych mierzy poprzeczne ugięcie (skręcenie) dźwigni spowodowane obecnością sił równoległych do płaszczyzny próbki (np. sił tarcia powierzchniowego).
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.
zCF
C – stała sprężystości dźwigniz- wychylenie dźwigni
AFM - Mikroskopia Sił AtomowychTryb 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 Si3N4)
długość dźwigni ~100-200μm;
AFM - Mikroskopia Sił AtomowychTryb 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
AFM - Mikroskopia Sił AtomowychTryb bezkontaktowy
m
cf eff
2
1 ceff – efektywna stała sprężystości
m – efektywna masa dźwigni i ostrza
AFM - Mikroskopia Sił AtomowychTryb 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)
AFM - Mikroskopia Sił AtomowychTapping 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)
AFM - Mikroskopia Sił AtomowychTryby 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
AFM - Mikroskopia Sił AtomowychTryby pracy AFM (porównanie)
Tapping Mode
Kontakt
Warstwa epitaksjalna Si
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych
Obraz DNA otrzymany w trybie Tapping Mode. Odległość między poszczególnymi helisamiDNA wynosi około 4 nm
AFM - Mikroskopia Sił Atomowych
Pierwotniak Tetrahymena.
Obraz otrzymany w trybie Tapping Mode. Rozmiary obrazu – 50 x 50 μm.
Pomiary własności cieplnych
Mechanizmy:Mechanizmy:- promieniowanie- promieniowanie- konwekcja- konwekcja- przewodzenie- przewodzenie
Prawo Stefana - Boltzmana:
RT = σT4
Prawo Newtona
Prawo Nernst’a
Relaksacja:
tkeT
Pomiary własności cieplnych
gdzie TR jest temperaturą otoczenia a T - aktualną temperaturą układu
Powyższe równanie jest równaniem różniczkowym o zmiennych rozdzielonych
gdzie T0 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:
Pomiary własności cieplnych
Tm
Qcw
Ciepło właściwe
Pomiary ciepła właściwego metodą ostygania
tckTT w )(exp0
wmc
KSk
xwz
wzxwzx mt
mtcc
gdzie ‘x’ oznacza wielkości szukane a ‘wz’ wzorcowet czasy ostygania dla wybranych temperatur
Pomiary własności cieplnych
xwz
wzxwzx mt
mtcc
T
T1
T2
ttxtwz
Metoda Nernst’a (adiabatyczna)
Pomiary własności cieplnych
A V
T
Zasilacz
Próbka z grzejnikiem i złączem termopary
Osłona adiabatyczna (styropian)
dt
dTm
dt
dQIUP p
wc
dtdT
m
IU wc
Uwzględnienie strat
dt
dQ
dt
dQIUP Sp
dt
dTcxm
dt
dQS
Pomiary własności cieplnych
Metoda Nernst’a (adiabatyczna)
Duże straty Małe stratyT T
Grzanie Stygnięcie Grzanie Stygnięcie
tt
a b
dtdT
dtdT
m
IUcw
dt
dTdt
dT
miedź 385 J/kg*degplatyna 138 J/kg*degzłoto 129 J/kg*degwoda 1 cal/g*deg 4190 J/kg*deglód 0.5 cal/g*degalkohol etylowy 0.5 cal/g*degbiałko jaja 3850 J/kg*degżółtko jaja 2810 J/kg*deghel 5200 J/kg*degwodór 14300 J/kg*deg
Prawo FourieraPrawo Fouriera
Gęstość przewodzonego strumienia ciepła jest wprost proporcjonalna do natężenia pola temperatury E, określonego przez wielkość gradientu temperatury
),,,( tzyxTgradEdt
dQ
Pomiary własności cieplnych
gdzie jest współczynnikiem przewodnictwa cieplnego
Zbiornik ciepła T1
Chłodnica T2
l
S
Sl
TT
t
Q 12
Równanie przewodzenia ciepła Równanie przewodzenia ciepła mechanizmy:mechanizmy:- fonony- fonony- elektrony- elektrony
Pomiary własności cieplnych
0 500 1000 1500 2000 2500
100
150
200
250
R^2 = 0.99922A 85B 210.28758 ±0.16324C 786.20552 ±0.76833
T [K
]
t [s]
TV
eCVtV t
1
0
Pomiary własności cieplnych
TV
eCVtV tK
02
3
a
K
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, c222
cbaK
2
R
K
22
zrK
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
)/( KmW
Współczynniki przewodnictwa cieplnego
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.
Analiza termicznaPodział 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
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)
Analiza termiczna
Termograwimetria (TGA)
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.
Analiza termicznaTermograwimetria (TGA)
Po lewej komórka elementarna izolatora YBa2Cu3O6
po prawej komórka elementarna nadprzewodnika YBa2Cu3O7
Nadprzewodnik wysokotemperaturowy Tc = 92 K
Analiza termicznaTermiczna 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 Al2O3 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).
Analiza termicznaTermiczna analiza różnicowa DTA
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 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 Cp.2.Przemiany fazowe II rzędu (ΔCp 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.
Analiza termicznaSkaningowa kalorymetria różnicowa (DSC)
piectermopary
Analiza termicznaSkaningowa 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
Analiza termicznaSkaningowa kalorymetria różnicowa (DSC)
Równanie opisujące zjawiska w DSC
fdt
dTc
dt
dQp
Endotemperatura
Prz
epły
w
ciep
ła
Exo
Tg (Tmg)
Tpc
Tpm
m – topnienie
g – zeszklenie
c – krystalizacja
Analiza termicznaSkaningowa kalorymetria różnicowa (DSC)
Analiza termicznaAnaliza 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
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 węglowychSurowy produkt, oprócz nanorurek, zawiera cała gamę zanieczyszczeńNajczęściej są to:(i) nanocząstki katalizatora(ii) węgiel amorficzny
Analizie metodą TGA
Określanie ilości przyłączonych molekuł do magnetycznych nanocząstek węglowych (nanocząstki magnetyczne zakapsułkowane w węglu są unikalnym nanokompozytem)
Wektory translacji sieci
Podstawowe wektory translacji definiują sieć w taki sposób, że ułożenie atomów wygląda tak samo z punku jak i z punktu .
Tauauaurr
332211'
321 ,, aaa
'r r
Gdzie są dowolnymi liczbami całkowitymi. 321 ,, uuu
jest wektorem translacji sieci.Mówimy, że kryształ jest niezmienniczyze względu na translację.
T
Sieć odwrotna
Sieć odwrotna
Komórka Wignera-Seitza – schemat wyodrębniania komórki elementarnej.
- łączymy liniami węzeł ze wszystkimi sąsiadami
- pośrodku linii prowadzimy proste prostopadłe
Sieć odwrotna
Jeżeli , są podstawowymi wektorami sieci
krystalicznej, to podstawowe wektory sieci odwrotnej
,są zdefiniowane nastepująco:
321 ,, aaa
321 ,, bbb
321
321 aaa
aa2πb
321
132 aaa
aa2πb
321
213 aaa
aa2πb
Sieć odwrotnaSieć 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
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 (10 - 300 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)
Badania powierzchni ciała stałego
Dyfrakcja elektronów niskoenergetycznych (LEED)
Badania powierzchni ciała stałegoDyfrakcja elektronów niskoenergetycznych (LEED)
Badania powierzchni ciała stałegoDyfrakcja elektronów niskoenergetycznych (LEED)
Obraz LEED otrzymany dla Si(111)
Badania powierzchni ciała stałegoDyfrakcja elektronów wysokoergetycznych (RHEED)
Elektrony o energii 5-100 keV – kierowane w kierunku powierzchni próbki pod kątem qi 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: 0.055 Å oraz k = 114 Å-1
(RHEED - Reflection high-energy electron diffraction)
Badania powierzchni ciała stałegoDyfrakcja elektronów wysokoergetycznych (RHEED)
Badanie chropowatości
RHEED posiada bardzo dużą czułość na chropowatość powierzchni (100-1000 Å)Długa droga elektronów pozwala uzyskać obrazy małych powierzchnipodobnych do dyfrakcji na dużej próbce.Wysoka czułość RHEED-u na chropowatość może być wykorzystana do badania chropowatości w czasie wzrostu cienkich warstw.
Badania powierzchni ciała stałegoDyfrakcja 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 5o.Duża energia elektronów oraz niewielki kąt padania wiązki sprawiają, że technika RHEED jest wrażliwa na zjawiska zachodzące na powierzchni badanych substancji.
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
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
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.
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:
qvBr
mv
2
qB
mvr
Sektorowe jednorodne pole magnetyczne jest analizatorem pędów
BvqF
Spektroskopia masowaW 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.
2
2mvqU
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.
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.
Spektroskopia masowa
Spektroskopia masowa
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
Spektroskopia masowa
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.
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
Spektroskopia masowaNajważniejsze 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
Spektroskopia masowaAnalizatory 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
Spektroskopia masowaDetektory
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.
Spektroskopia masowaSpektrometr masowy IsoPrime
Rozpraszanie neutronówNeutrony 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.
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
powolne
neutrony E T [K] λ procesy
zimne ~ 1meV ~ 12 ~ 9Å (n,γ)
termiczne ~ 25meV ~ 293 ~ 1.8Å (n,γ)
rezonans. 1eV ÷ 1000eV 104 ÷ 1070.3Å ÷ 10-
2Å(n,γ) +
rozpraszanie
pośrednie 1keV ÷ 0.5MeV 107 ÷ 5•10910-2Å ÷
40fm
(n,γ) +(n,p) (n,α) +
rozpraszanie
prędkie0.5MeV ÷ 50MeV
5•109 ÷ 5•1011
40fm ÷ 4fmrozpraszanie + (n,p) (n,α)
wysokich energii > 50MeV > 5•1011 < 4fm rozpraszanie
Rozpraszanie neutronów
Rozpraszanie neutronówReakcje jądrowe neutronów – rozszczepienie
Energie progowe Epr na reakcję rozszczepienia i minimalna energia kinetyczna neutronu Ek min
A 15 100 200 235 250
Epr, MeV 18.5 47 40 5 ~0
A Th-232 U-233 U-235 U-238 Pu-239
Ek min, MeV 1.3 ~ 0 ~ 0 1.2 ~ 0
enierozszczepi
U
nU
nU
UnU 23992
10
23892
10
23892
*23992
10
23892
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.
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
• Dyfrakcja neutronów (neutronografia) rozpraszanie spójne elastyczne
• INS rozpraszanie nieelastyczne (spójne i niespójne)
• QENS
rozpraszanie niespójne (prawie) elastyczne
Rozpraszanie neutronówWybrane 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
Rozpraszanie neutronów
• Dyfrakcja neutronówrozpraszanie spójne elastyczne
(struktura krystalograficzna i magnetyczna)
• INS rozpraszanie nieelastyczne spójne i niespójne
(krzywe dyspersji, gęstość stanów wzbudzonych (fonony, magnony, …))
Rozpraszanie neutronów
QENS (rozpraszanie niespójne, poszerzone maksimum elastyczne)
- szybkie (~ps) ruchy stochastyczne molekuł i grup molekularnych
- ruchy translacyjne i rotacyjne (reorientacja)
3 4 5 6
100 K
Inte
nsi
ty
Energy [meV]
10 K
130 K
150 K
180 K
210 K
240 K
270 K300 K
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 miarUkłady miar oparte na wielkościach: długość-siła-czas (LFT): MKGS (ciężarowy)
Historyczne układy miar:Staropolski układ jednostek miarNowopolski układ jednostek miarMiary greckie
Układy jednostek miar
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
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 jednostkamiwielkości. Milion elektronowoltów (MeV) jest jednostką w fizyce jądrowej, kilokaloria – jednostką energii w chemii, a kilowatogodzina – jednostkąenergii używaną w technice. (...) W publikacjach fizycznych stosuje sięprzeważnie 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)
Układy jednostek miarUkład jednostek miar CGSprzykłady jednostek pochodnych:dyna=g*cm/s2
bar=106 dyna/cm2
Układ jednostek miar MKSJednostki podstawowe: metr (m), kilogram (kg), sekunda (s)
Układ jednostek miar MKSA Jednostki podstawowe: metr (m), kilogram (kg), sekunda (s), amper (A).
Układy jednostek miarUkład jednostek miar MTSJednostki 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*s2/m = 9,80665 kgEnergia 1 kilogramometr = 9,80665 J.Moc 1 kilogramometr/s = 9,80665 W i jego wielokrotność koń mechaniczny.Ciśnienia 1 kG/m2 = 9,80665 Pa i jego wielokrotność atmosfera techniczna = 98 066,5 Pa.
Układy jednostek miar
L.p Wielkość fizyczana
Jednostka
Symbol
Wielkości podstawowe
1. Długość metr m 2. Masa kilogram kg 3. Czas sekunda s 4. Liczność materii mol mol 5. Natężenie prądu
elektrycznego amper A
6. Temperatura termodynamiczna
kelwin K
7. Światłość kandela cd Wielkości
uzupełniające
8. Kąt płaski radian rad 9. Kąt bryłowy steradian sr
Układ SI
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 9 192 631 770 okresów promieniowania odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami F = 3 i F = 4 struktury nadsubtelnej stanu podstawowego 2S1/2 atomu cezu 133Cs
(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 1/31 556 925,9747 część roku zwrotnikowego 1900 lub 1/86400 część doby.
Jednostka czasu
Układy jednostek miar
Zegar atomowy - wzorzec częstotliwości
Dokładność takich zegarów dochodzi do 10-15, co oznacza 10-10 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.
Układy jednostek miarOBSERWATORIUM ASTROGEODYNAMICZNECENTRUM BADAŃ KOSMICZNYCH PANBorowiec ul. Drapałka 4 62-035 Kórnikhttp://www.cbk.poznan.pl/sluzba_czasu/ogolne.php
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.
Układy jednostek miar
Układy jednostek miar
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.
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 20183 km nad powierzchnią Ziemi. Jest to orbita niższa od geostacjonarnej
Układy jednostek miarDefinicja 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
• 1795 - 1889 długość równa 10-7 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. 0.02 mm
• 1889 - 1960 I Generalna Konferencja Miar (1889) określiła metr jako odległość między odpowiednimi kreskami na wzorcu platynowo - irydowym, równą 0,999914 · 10-7 połowy południka ziemskiego. Wzorzec przechowywany jest w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sèvres koło Paryża. 200 nm
• 1960 - 1983 XI Generalna Konferencja Miar (1960) zdefiniowała metr jako długość równą 1 650 763,73 długości fali promieniowania w próżni odpowiadającego przejściu między poziomami 2p10 a 5d5 atomu 86Kr (kryptonu 86) 4 nm
• 1983 XVII Generalna Konferencja Miar i Wag - mnetr jest to odległość, jaką pokonuje światło w próżni w czasie 1/299 792 458 s. 0.13 nm
Układy jednostek miarDefinicja metra
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.
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.
Analiza błędów (Niepewności) Pomiarowych
Wykonujemy serię n pomiarów bezpośrednich wielkości fizycznej X otrzymując wyniki X1, X2 ...Xn.
n
iiX
nXX
1
1
odchylenie standardowe wartości średniej
)1(
)( 1
2
2
nn
XXsXu
n
ii
X
Postulat Gaussa
Wykonujemy tylko jeden pomiar
błąd maksymalny X3
)(X
Xu
Analiza błędów (Niepewności) Pomiarowych
),...,,( 21 kXXXfY kXXX ,...,, 21
kXXX ,...,, 21
),...,,( 21 kXXXfYY )(),...,(),( 21 kXuXuXu
k
j
jk
jc XuXXX
X
fYu
1
2
2
21 ,...,,)(
jk
j j
kc Xu
X
XXfu
1
1,...,
Analiza błędów (Niepewności) Pomiarowych
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
A Oleś, Metody eksperymentalne fizyki ciała stałego A Oleś, Współczesne metody eksperymentalne fizyki fazy skondensowanej
http://pl.wikipedia.org/wikihttp://portalwiedzy.onet.plhttp://www.bazywiedzy.comhttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.eduhttp://www.physicsclassroom.comhttp://www.rapidtables.comhttp://chemistry.about.comhttp://www.britannica.comhttp://www.newscientist.comhttp://www.learner.org
Analiza błędów (Niepewności) Pomiarowych
Analiza błędów (Niepewności) Pomiarowych
Analiza błędów (Niepewności) Pomiarowych
dyfrakcja jonów niskoenergetycznych LEIDspektroskopia masowa jonów wtórnych SIMSspektroskopia masowarentgenowska radioizotopowa analiza fluorescencyjnaemisja promieniowania X pobudzana cząstkami PIXEmketoda koincydencyjna (e, 2e)anihilacja pozytonów
Pomiary własności cieplnych