Kristal yapı, 3 boyutlu uzayda düzenli atom dizilimine sahip malzemelerde görülen yapıdır. Katıların kristal yapısı, yapıda bulunan atom gruplarının veya moleküllerin katıya özgü olacak şekilde geometrik düzende bir araya gelmesiyle oluşur. İlk kez Max van Lave tarafından kristal yapı ve yapı içerisindeki atomların dizilişleri X- ışını kırınımı desenleri kullanılarak incelenmiştir.
Malzemelerin atomik düzen yapılarını görüntülemek, yüksek çözünürlükteki elektron mikroskopuyla da mümkündür. Fakat farklı yapıları belirtmek ve birim kristal yapı özelliklerini tayin etmek için kırınım kullanmak gerekir. Kullanılan kırınım tekniklerinden en çok kullanılanı X- ışını kırınımıdır.
X- ışınlarının kristal yapı tayininde kullanılmasının temel iki nedeni vardır:
- X- ışınlarının dalga boyları, yoğunlaştırılmış malzemedeki atomik mesafeler ölçüsündedir. ( 0,5-2,5 A° )
- X- ışını saçılım teknikleri, yıkıcı değildir ve incelenen numunede hasara yol açmaz.
Kristal ve moleküllerdeki atomlar arası mesafe 0,15-0,4 nm civarıdır. Bu mesafe 3 keV ve 8 keV arası foton enerjisine sahip X- ışınlarının elektromagnetik spektrum dalga boyuna karşılık gelir.
İnce filmlerde, elektron saçılması X- ışınları kırınımından daha çok kullanılır. Fakat kafes parametrelerinin kesin ölçülmesi gerekilen yerlerde X- ışınları kırınımı daha uygun bir tekniktir. Bu iki yöntemin farklarından biri X- ışınları saçılımının elektron saçılımından çok daha zayıf olması ve X- ışınlarının çok daha derine nüfuz edebilmesidir. X- ışınları çok daha büyük olduğundan kolayca kafes parametre tayinini sağlar.
X- ışınları kristal yapı üzerine düşürüldüğünde, ışınlar katı yüzeyden küçük geliş açılarıyla tam yansımaya uğrarlar ve kristal yapıdaki atomların paralel düzlemleri tarafından saçılırlar. Bu saçılım, kırınım olarak adlandırılır ve kırınım çok sayıda atomu içeren saçılmalardan meydana gelir. X- ışınlarının kristal yapıda kırınımı Bragg Kanunu ile açıklanır. En basit ifadesi şu şekildedir:
nλ = 2.d.sinθ
Burada;
n: Kırınım sabiti,
λ: Dalga boyu,
d: Kafes aralığı
θ: Kırılma açısı olarak ifade edilir.
X- Işınları Kırınımı ile Kristal Yapı Tayini
Günümüzde kırınım, kristal yapıların hemen hemen hepsi bilindiğinden, kristalin mükemmelliği ve doğrultusu hakkında bilgi almak için yapılır. Ayrıca yeni modeller geliştirmeye yönelik çalışmalarda ve ya endüstriyel değere sahip polimerler, biyomoleküller gibi yapıların ve örgü sabitlerinin belirlenmesi çalışmaları önemli bir yere sahiptir.
Kristal yapı tayini denince a, b, c, α, β, ϒ kristal parametreleri, kafes sabitleri ve kristal yapıda bulunan atom sayısı gibi özellikler anlaşılır. Bunların dışında atomların bağ uzunlukları, düzlem ve yönlemler de tayin edilebilir.
Saçılan X- ışınları iki türdür:
- Aynı fazda ve gelen elektromanyetik dalganın dalga boyu ile aynı dalga boyuna sahip koherent x- ışınları.
- Aynı fazda olmayan ve dalga boyu da aynı olmayan inkoherent x- ışınları.
Kırınım = Girişim + Saçılma
Bir kırınım için saçan ve saçılan x ışınlarının dalga boyları eşit ve sabit bir faz farkına sahip olmalıdır. Saçılan bir x- ışını atomun elektron yoğunluğunun çok olduğu kısmıyla etkileşir. Saçılan X-ışınının enerjisi 10-50 keV’tur.
Hamdi Ekici
İstanbul Üniversitesi Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
Kaynakça:
- Gündüz, Erol. (1989). ‘’Modern Fiziğe Giriş.’’ Ege Üniversitesi Fen Fakültesi, İzmir.
- Cullity B.D. (1996). X Işınlarının Difraksiyonu, (Çev. A. Sümer), İTÜ Yayınları, İstanbul.
- Aygün, E., Zengin, M. (1998). ‘’Atom ve Molekül Fiziği.’’ Ankara Üniversitesi, Ankara.
- Şahin, Y. (1999). ‘’Çekirdek Fiziğinin Esasları’’. Atatürk Üniversitesi Yayınları, Erzurum
