Maddelerin Gizli Dünyasına Yolculuk: X-Işını Kırınımı (XRD)
Telefonunuzun ekranını açarken parmak izinizi kullanıyor olabilirsiniz. Peki bir taşın, elmasın ya da gök taşının da atomik yapısıyla ilişkili kendine özgü bir “imzası” olabileceğini biliyor muydunuz? X-ışını kırınımı (XRD), kristal yapıdaki maddelerin oluşturduğu karakteristik kırınım desenlerini inceleyerek bu görünmeyen yapılar hakkında bilgi edinmemizi sağlıyor.
cineuno/iStockphoto.com
X ışınlarından tıpta vücudumuzun iç yapısını görüntülemek için yararlanıldığını biliyoruz. Ancak X ışınlarının kullanım alanları bununla sınırlı değil. X ışınları, maddelerin kristal yapısını incelemek için malzeme bilimi, kimya, jeoloji ve arkeoloji gibi birçok alanda kullanılıyor.
X ışınlarının bir maddeden ne ölçüde geçebildiği, ışının enerjisine, maddenin kalınlığına, yoğunluğuna ve atomik bileşimine bağlıdır. XRD’de ise asıl önemli olan, X ışınlarının numuneden geçmesinden çok kristal yapıdaki taneciklerden nasıl saçıldığıdır.
Kristal yapı X ışınlarıyla nasıl etkileşir?
Tuz, kuvars ve pek çok metal gibi kristal yapıdaki maddelerde atomlar, iyonlar ya da moleküller belirli bir düzen içinde tekrar eden bir yapı oluşturur. Kristaldeki bu düzenli tanecik dizilimleri, birbirine paralel düzlem grupları şeklinde düşünülebilir. Aynı gruptaki komşu düzlemler arasındaki uzaklığa, düzlemler arası mesafe ya da d değeri denir.
XRD cihazı, incelenen numuneye belirli bir dalga boyuna sahip X ışınları gönderir. Işınlar kristaldeki atomların elektronlarıyla etkileşerek farklı yönlere saçılır. Düzenli kristal yapı nedeniyle saçılan dalgalar bazı yönlerde aynı fazda buluşur ve birbirini güçlendirir. Buna yapıcı girişim denir. Belirli açılarda oluşan bu güçlü sinyaller, X-ışını kırınım deseninin temelini oluşturur. Dolayısıyla X-ışını kırınımı, bir aynadan gerçekleşen sıradan bir yansıma ya da ışığın bir ortamdan diğerine geçerken yön değiştirmesi anlamındaki kırılma değildir. Burada X ışınlarının kristaldeki düzenli yapıdan saçılması ve bu dalgaların belirli koşullarda birbirini güçlendirmesi söz konusudur.
XRD, numunedeki bütün elementleri tek tek belirleyen genel bir kimyasal analiz yöntemi değildir. Yöntem, özellikle bir numunede hangi kristalin fazların bulunduğunu belirlemek ve kristal yapı hakkında bilgi edinmek için kullanılır. Bir kristalin fazın atomik düzeni diğerinden farklı olduğunda oluşturduğu kırınım deseni de farklılaşır. Bu nedenle farklı kristalin fazlar, uygun koşullarda birbirinden ayırt edilebilen karakteristik kırınım desenleri oluşturur.
Bragg yasası bize ne anlatır?
Saçılan X ışınlarının hangi açılarda birbirini güçlendireceği rastgele değildir. Bu koşul Bragg yasası ile açıklanır:
nλ = 2d sinθ
Bu bağıntıda λ (lambda) X ışınının dalga boyunu, d birbirine paralel kristal düzlemleri arasındaki uzaklığı, θ (teta) ise gelen X ışını ile ilgili kristal düzlemleri arasındaki Bragg açısını gösterir. n ise kırınım mertebesini belirten bir tam sayıdır.
Bragg yasası sayesinde kırınımın gerçekleştiği açı ve kullanılan X ışınının dalga boyu bilindiğinde kristal düzlemleri arasındaki çok küçük uzaklıklar hesaplanabilir.
Bir XRD ölçümünde cihaz, genellikle gelen ve kırınıma uğrayan ışın arasındaki açıyı yani 2θ değerini tarar. Bu nedenle difraktogram adı verilen grafiğin yatay ekseninde çoğunlukla 2θ, düşey ekseninde ise ölçülen kırınım şiddeti yer alır.
Difraktogramdan maddenin kimliği nasıl belirlenir?
Difraktogramdaki keskin tepelere pik denir. Her pik, Bragg koşulunu sağlayan belirli bir kristal düzlemi grubundan gelen kırınım sinyaliyle ilişkilidir. Piklerin grafikte hangi konumlarda ortaya çıktığı ve göreli şiddetleri kristal fazın yapısıyla bağlantılıdır.
Bir numunede hangi kristalin fazların bulunduğunu belirlemek için yalnızca en yüksek pike bakılmaz. Piklerin konumları ve göreli şiddetlerinin oluşturduğu desen bir bütün olarak değerlendirilir ve bilinen maddelere ait referans kırınım desenleriyle karşılaştırılır. Bu nedenle kırınım deseni, belirli bir kristalin fazı diğerlerinden ayırt etmemizi sağlayan yapısal bir imza gibi düşünülebilir. Ancak bu, bir maddenin her koşulda değişmeden kalan genel bir imzası değildir. Kristal yapı değiştiğinde kırınım deseni de değişebilir. Örneğin bir kaya örneğinde birden fazla mineral bulunuyorsa bu minerallere ait kırınım desenleri üst üste görülebilir. Uygun analiz yöntemleriyle bu desenlerden hangi kristal fazların bulunduğu belirlenebilir. Ayrıca nicel analiz yöntemleri kullanılarak bu fazların numunedeki yaklaşık miktarları da hesaplanabilir. Bu işlem tek bir pikin yüksekliğine bakılarak değil, kırınım deseninin daha kapsamlı biçimde değerlendirilmesiyle yapılır.
XRD, kristal yapıdaki değişiklikler üzerinden malzemenin geçirdiği bazı süreçler hakkında da dolaylı bilgi sağlayabilir. Örneğin ısıtma, soğutma ya da yüksek basınç kristal yapının değişmesine neden olmuşsa bu değişiklikler kırınım desenine yansıyabilir.
XRD’nin sınırlılıkları neler?
XRD özellikle kristalin maddelerin incelenmesinde güçlü bir yöntemdir. Bununla birlikte bütün maddeler aynı ölçüde düzenli bir kristal yapıya sahip değildir. Cam ve bazı plastikler gibi amorf malzemelerde uzun mesafeli kristal düzen bulunmadığından keskin Bragg pikleri yerine daha geniş ve yayvan saçılma sinyalleri görülür. Bu nedenle klasik faz tanımlama, iyi kristallenmiş maddelerde çok daha belirgindir.
XRD ölçümü genel olarak tahribatsız analiz yöntemleri arasında değerlendirilir. Ancak bu, numunenin her durumda olduğu gibi korunacağı anlamına gelmez. Özellikle toz XRD ölçümlerinde kayaç veya katı numunelerin öğütülmesi gerekebilir.
Bir grafikte görünen birkaç tepenin ardında atom ölçeğinde son derece düzenli bir yapı bulunur. XRD’nin gücü de bu düzenin X ışınlarıyla oluşturduğu kırınım desenini okuyabilmesinden gelir. Böylece gözümüzle göremediğimiz kristal yapılar, ölçülebilir ve karşılaştırılabilir bir yapısal imzaya dönüşür.
Sözlük:
Kristalin faz: Atom, iyon veya moleküllerin belirli bir düzen içinde tekrarlandığı, kendine özgü kristal yapıya sahip madde biçimi
Düzlemler arası mesafe (d değeri): Kristalde birbirine paralel aynı tür düzlemler arasındaki uzaklık
Yapıcı girişim: Dalgaların aynı fazda buluşarak birbirini güçlendirmesi
Difraktogram: XRD ölçümünde kırınım açısına bağlı olarak ölçülen X-ışını şiddetini gösteren grafik
Amorf: Atom veya moleküllerin kristallerdeki gibi uzun mesafeli ve düzenli bir yapı oluşturmadığı madde yapısı
Kaynaklar:
- International Union of Crystallography (IUCr). Bragg’s law – Online Dictionary of Crystallography.
- International Centre for Diffraction Data (ICDD). What is Powder Diffraction? Definition & Core Concepts. Orta Doğu Teknik Üniversitesi Merkez Laboratuvarı. X-Işını Difraktometresi.
- Orta Doğu Teknik Üniversitesi Merkez Laboratuvarı. X-Işını Difraktometresi.
- International Atomic Energy Agency (IAEA). X rays – what patients need to know.
Yazar Hakkında:
Can Solmaz
Mersin Yahya Akel Fen Lisesi öğrencisi
