एक्स-रे विवर्तन

एक्स-रे विवर्तन (XRD) रसायन विज्ञान, भौतिकी, और सामग्री विज्ञान के क्षेत्रों में एक शक्तिशाली विश्लेषणात्मक तकनीक है। इसका मुख्य रूप से क्रिस्टलीय पदार्थों की संरचना का विश्लेषण करने के लिए उपयोग किया जाता है। XRD का उपयोग करके, शोधकर्ता क्रिस्टल में परमाणुओं की व्यवस्था का निर्धारण कर सकते हैं, एक क्रिस्टल के आयामों को माप सकते हैं, और क्रिस्टल की शुद्धता और दोषों का आकलन कर सकते हैं। यह विश्लेषणात्मक विधि एक क्रिस्टल जाली द्वारा परमाणु पैमाने पर तरंग दैर्ध्य वाली विद्युतचुंबकीय विकिरण—एक्स रे—के विवर्तन का उपयोग करती है।

एक्स-रे विवर्तन की मूल बातें

एक्स-रे विद्युतचुंबकीय विकिरण का एक रूप हैं, जिनकी तरंग दैर्ध्य आम तौर पर 0.01 से 10 नैनोमीटर तक होती है। XRD के संदर्भ में, उत्पन्न और क्रिस्टल पर केंद्रित एक्स-रे क्रिस्टल जाली के साथ संपर्क करते हैं। ब्रैग के नियम के अनुसार, जब ये एक्स-रे क्रिस्टल से टकराते हैं, तो वे विशिष्ट दिशाओं में बिखर जाते हैं। ब्रैग का नियम गणितीय रूप से इस प्रकार व्यक्त किया जाता है:

nλ = 2d sin θ

जहाँ:

• n विवर्तन का क्रम है, एक पूर्णांक।
• λ घटना एक्स-रे बीम का तरंग दैर्ध्य है।
• d क्रिस्टल जाली विमानों के बीच की दूरी है।
• θ घटना एक्स-रे और बिखरने वाले विमानों के बीच का कोण है।

एक्स-रे विवर्तन को समझने की कुंजी ब्रैग के नियम में निहित है, जो घटना एक्स-रे के तरंग दैर्ध्य और क्रिस्टल की जाली रिक्ति को बिखरने वाले कोण से जोड़ता है। जब ये मानदंड संतुष्ट होते हैं, तो रचनात्मक हस्तक्षेप होता है, जो डिटेक्टर पर एक प्रेक्षणीय विवर्तन शिखर उत्पन्न करता है।

क्रिस्टल संरचना विश्लेषण

क्रिस्टल संरचनाओं का निर्धारण करने के लिए एक्स-रे विवर्तन का प्राथमिक उपयोग होता है। परमाणु स्तर पर किसी पदार्थ की संरचना को समझना इसकी रासायनिक और भौतिक गुणों के बारे में गहन जानकारी प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, खनिजों की क्रिस्टलीय संरचना, प्रोटीन जैसे जैविक मैक्रोमोलेक्यूल्स, और अन्य यौगिकों को XRD के माध्यम से समझा जा सकता है।

पाउडर एक्स-रे विवर्तन (PXRD)

पाउडर XRD, एक्स-रे विवर्तन का एक व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला रूप है, जो बहुक्रिस्टलीय या पाउडर नमूनों को शामिल करता है। यह विधि सरल है और उन सामग्रियों की जांच करने के लिए लाभकारी है जो बड़े एकल क्रिस्टल नहीं बनाते हैं या पाउडर रूप में उपलब्ध हैं। पाउडर नमूनों में आमतौर पर माइक्रोक्रिस्टल का एक यादृच्छिक समूह होता है, जो यह सुनिश्चित करता है कि एक्स-रे विकिरण के संपर्क में आने पर सभी संभावित क्रिस्टल अभिविन्यासों का नमूना लिया जाता है। बिखरी हुई तीव्रता को प्रकीर्णन कोण के एक कार्य के रूप में मापा जाता है और इसे एक पैटर्न में परिवर्तित किया जाता है जिसे ज्ञात मानकों के विरुद्ध संदर्भित किया जा सकता है।

PXRD पैटर्न = तीव्रता बनाम 2θ (जहाँ 2θ प्रकीर्णन कोण है)

यह तकनीक इकाई कक्ष के आयामों के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करती है और प्रयोगात्मक विवर्तन पैटर्न की स्थापित डेटाबेसों के साथ तुलना करके गुणात्मक चरण पहचान के लिए उपयोग की जा सकती है।

एकल-क्रिस्टल एक्स-रे विवर्तन

तीन-आयामी परमाणुओं की व्यवस्था के बारे में अधिक विस्तृत जानकारी प्राप्त करने के लिए एकल-क्रिस्टल XRD का उपयोग किया जाता है। नमूना एकल क्रिस्टल होता है, जिसे एक गोनियोमीटर पर चढ़ाया जाता है, और डेटा सेट को पूरा करने के लिए एक्स-रे बीम के तहत व्यवस्थित रूप से घुमाया जाता है। यह विधि PXRD की तुलना में अधिक जटिल है, लेकिन क्रिस्टल की संरचना के बारे में व्यापक अंतर्दृष्टि प्रदान करती है।

उपकरण

एक्स-रे विवर्तन प्रयोग के लिए विशिष्ट सेटअप में कई प्रमुख घटक शामिल होते हैं:

• एक्स-रे स्रोत: यह एक सीलबंद ट्यूब या एक रोटेटिंग एनोड हो सकता है जो एक्स-रे उत्पन्न करता है। Mo Kα और Cu Kα सबसे सामान्य तरंग दैर्ध्य होते हैं जिनका उपयोग किया जाता है।
• नमूना धारक: क्रिस्टलीय नमूना रखता है, इसमें नमूने को घुमाकर PXRD में अभिविन्यास को यादृच्छिक बनाना शामिल हो सकता है।
• मोनोक्रोमेटर: विवर्तन डेटा की स्पष्टता और संकल्प को बढ़ाने के लिए एकल तरंग दैर्ध्य के विकिरण का चयन करता है।
• डिटेक्टर: विकीर्ण एक्स-रे की तीव्रता को मापता है। उच्च संवेदनशीलता के लिए आधुनिक डिटेक्टर चार्ज-युग्मित उपकरणों (CCDs) का उपयोग करते हैं।

नमूना और डिटेक्टर इस प्रकार संरेखित होते हैं कि डिटेक्टर डेटा एकत्र कर सके 2θ कोणों की एक श्रृंखला में क्योंकि नमूना एक्स-रे द्वारा विकीर्ण होता है।

एक्स-रे विवर्तन के अनुप्रयोग

चरण पहचान

XRD के सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में से एक बहुक्रिस्टलीय सामग्रियों में चरणों की पहचान करना है। प्रत्येक यौगिक का एक अद्वितीय XRD पैटर्न होता है (जिसे अक्सर "फिंगरप्रिंट" कहा जाता है), जो अंतर्राष्ट्रीय विवर्तन डेटा केंद्र (ICDD) जैसे डेटाबेस में संदर्भ पैटर्न के साथ प्रयोगात्मक डेटा की तुलना करके चरण पहचान की अनुमति देता है।

इकाई कक्ष आयामों का निर्धारण

XRD क्रिस्टल जाली में सबसे छोटी आवर्ती इकाई, इकाई कक्ष के आयामों को सटीक रूप से माप सकता है। ये आयाम क्रिस्टल संरचना की विशेषता बताने में महत्वपूर्ण हैं और घनत्व और ऊष्मीय विस्तार जैसी गुणों की भविष्यवाणी करने में सहायता करते हैं।

बनावट विश्ंलेषण

क्रिस्टलाइट्स के पसंदीदा अभिविन्यास, जिसे बनावट के रूप में जाना जाता है, को XRD के माध्यम से जांचा जा सकता है। बनावट विश्ंलेषण यह समझने में मदद करता है कि क्रिस्टलॉग्राफिक अभिविन्यास सामग्री के गुणों जैसे ताकत और तन्यता को कैसे प्रभावित करता है।

तनाव माप

XRD का उपयोग सामग्री में तनाव के कारण जाली रिक्ति में होने वाले परिवर्तनों का निर्धारण करने के लिए किया जा सकता है। विवर्तन शिखरों में परिवर्तन का विश्लेषण करके, वैज्ञानिक तनाव और विकृति को माप सकते हैं, जो धातुकर्म और सामग्री इंजीनियरिंग में अमूल्य जानकारी प्रदान करता है।

क्रिस्टलाइट आकार और माइक्रोस्ट्रेन

श्रेर समीकरण विवर्तन शिखरों की चौड़ाई को क्रिस्टलाइट आकार से जोड़ता है:

D = (Kλ) / (βcosθ)

जहाँ:

• K आकार कारक है (आमतौर पर ~0.9)।
• λ एक्स-रे की तरंग दैर्ध्य है।
• β शिखर की पूर्ण चौड़ाई आधा अधिकतम (FWHM) है।
• θ ब्रैग कोण है।

यह समीकरण क्रिस्टलाइट का आकार निर्धारित करने और सामग्री की एकरूपता का आकलन करने में मदद करती है। यह विशेष रूप से नैनोकणों या पतली फिल्मों को समझने में सहायक है।

उदाहरणों के साथ दृश्यता

XRD को दृश्य रूप से बेहतर तरीके से समझा जाता है। एक साधारण क्रिस्टल संरचना जैसे कि सोडियम क्लोराइड (NaCl) पर विचार करें। क्रिस्टल में एक क्यूबिक व्यवस्था में अणुओं में सोडियम और क्लोराइड आयन का अदलाबदल होता है। यदि आप इसके विवर्तन पैटर्न को देखना चाहते हैं:

मान लीजिए कि एक एक्स-रे किरण इस क्रिस्टल के साथ संचरण करती है। उत्पन्न विवर्तन पैटर्न में Na ⁺ और Cl ^- आयनों द्वारा निर्मित उच्च इलेक्ट्रॉन घनत्व के विमानों के अनुरूप विशिष्ट शिखर होंगे।

हाल के एक्स-रे विवर्तन में प्रगति

पिछले कुछ वर्षों में, एक्स-रे स्रोतों, डिटेक्टरों और कम्प्यूटेशनल तकनीकों में प्रगति ने XRD अनुप्रयोगों की गति, सटीकता और सीमा को काफी बढ़ा दिया है। उच्च-रिज़ॉल्यूशन डिटेक्टर और सिंक्रोट्रॉन विकिरण स्रोत उन सुधारों में से हैं जिन्होंने XRD क्षमताओं को विस्तारित किया है, छोटे नमूनों की जांच करने और तेजी से डेटा संग्रह की अनुमति दी है।

अतिरिक्त रूप से, कम्प्यूटेशनल रासायनिक उपकरणों के साथ एकीकरण जटिल सामग्रियों और जैविक प्रणाली का अध्ययन करने के अधिक सटीक मॉडल प्रदान करता है। यह तालमेल उस जानकारी का पता लगाने में मदद करता है जो पारंपरिक विश्लेषण विधियों का उपयोग करके प्राप्त करना कठिन था।

निष्कर्ष

एक्स-रे विवर्तन विश्लेषणात्मक रसायन विज्ञान और सामग्री विज्ञान में एक अनिवार्य उपकरण है। पदार्थों की परमाणु संरचना के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करने की इसकी क्षमता इसे विभिन्न क्षेत्रों में अनुसंधान और विकास के लिए आवश्यक बनाती है। जटिल जैविक मैक्रोमोलेक्यूल्स के निर्धारण से लेकर धातुकर्म इंजीनियरिंग में चरण पहचान तक, XRD कई वैज्ञानिक अनुसंधानों के लिए एक आधारशिला के रूप में काम करता है। जैसे-जैसे तकनीक विकसित होती है, इसके अनुप्रयोगों का विस्तार होता रहेगा, जो विभिन्न विषयों में आगे की खोजों को समर्थन देगा।

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