ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΣΤΗΝ ΟΡΥΚΤΟΛΟΓΙΑ

Χατζηθεοδωρίδης ΗλίαςΔεκέμβριος 2006

Γιατί χρειάζεστε την ορυκτολογική ανάλυση

Τα ορυκτά αποτελούνται από διαφορετικά άτομα και με διαφορετικούς συνδυασμούς περιοδικότητας ή δεσμών, το αποτέλεσμα είναι μια πολύ μεγάλη ποικιλία ορυκτών με διαφορετική χημεία, χημικές ιδιότητες, φυσικές ιδιότητες, τρόπους σχηματισμού και γένεσης κτλ.

Τα πετρώματα αντίστοιχα αποτελούνται από διαφορετικά ορυκτά

Σαν μηχανικοί θα πρέπει να γνωρίζεται τις ιδιότητες αυτές ώστε να αναγνωρίζετε τα ορυκτά και τα αντίστοιχα πετρώματά τους όσο γίνεται πιο γρήγορα και με πιο οικονομικό τρόπο. Απώτερος στόχος βέβαια είναι ο διαχωρισμός των φάσεων αυτών ή απλά ο εμπλουτισμός μιας φάσης σε σχέση με τις υπόλοιπες και πολλές φορές η αλλαγή ιδιοτήτων τους ή της χημείας τους ώστε να πάρετε μια νέα φάση που θα έχει συγκεκριμένες φυσικοχημικές ιδιότητες και θα αποτελεί το τελικό προϊόν ή την πρώτη ύλη για άλλα προϊόντα.

Μέθοδοι παρατήρησης Η πρώτη παρατήρηση είναι η μακροσκοπική αναγνώριση (με

το μάτι ή άλλες απλές μεθόδους όπως γραμμή κόνεως, σκληρότητα κτλ.). Αυτή είναι βέβαια η πιο οικονομική μέθοδος και γίνεται πολύ εύκολα ακόμη και στον χώρο εξόρυξης της ορυκτής φάσης. Απαιτεί βασικές γνώσεις που θα πάρετε από το μάθημα της ορυκτολογίας (και αργότερα της πετρολογίας) και εμπειρία που θα αποκτήσετε κατ΄ αρχήν με την διπλωματική σας αλλά κυρίως στον χώρο εργασίας σας.

Στην εποχή μας βέβαια, που η τεχνολογία απαιτεί φάσεις υψηλών προδιαγραφών, δεν είναι αρκετή η μακροσκοπική αναγνώριση αλλά άλλες μέθοδοι μεγάλης ακριβείας και αξιοπιστίας όπως χημικές ή φυσικές μέθοδοι ανάλυσης.

Ωστόσο, στο ύπαιθρο είναι απόλυτα απαραίτητη και πάλι η καλή μακροσκοπική αναγνώριση για την επιλογή των αντιπροσωπευτικότερων δειγμάτων προς ανάλυση μια και οι χημικές ή οι φυσικές μέθοδοι αναγνώρισης είναι ακριβές ή χρονοβόρες ή και τα δύο.

Μέθοδοι διαχωρισμού ορυκτών και εμπλουτισμός

Ο διαχωρισμός των ορυκτών, χωρίς αλλαγή της χημείας τους, γίνεται συνήθως με μηχανικούς τρόπους. Τα ορυκτά ενός πετρώματος κατά την ανάπτυξή τους και ανάλογα το μέγεθος των κρυστάλλων δημιουργεί συμφύσεις διαφορετικής κλίμακας. Το πέτρωμα θα πρέπει με μηχανικούς τρόπους να θραυτεί σε κόκκους μεγέθους μικρότερου των συμφύσεων ώστε η σκόνη που θα πάρουμε να αποτελείται από κόκκους που ο καθένας αποτελείται από μία μόνο ορυκτολογική φάση. Αυτό γίνεται με την λειοτρίβηση με την βοήθεια υδραυλικών πρεσών, σπαστήρων η κυλίνδρων λειοτρίβησης.

Με την γνώση τώρα των ιδιοτήτων του ορυκτού που θέλουμε να εμπλουτίσουμε μπορούμε να εφαρμόσουμε διάφορες μεθόδους εμπλουτισμού. Για τον εμπλουτισμό μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τις μεθόδους Κατακρήμνισης των κόκκων σε υγρά διαλύματα διαφορετικής πυκνότητας

εκμεταλλευόμενοι τη διαφορά ειδικού βάρους των διαφορετικών ορυκτών. Προηγουμένως όμως θα πρέπει με κόσκινα να έχουμε διαχωρίσει τους κόκκους με κόσκινα σε κλάσματα διαφορετικού μεγέθους.

Μαγνητικός διαχωρισμός των κόκκων εκμεταλλευόμενοι τις πιθανές μαγνητικές ιδιότητες των ορυκτών.

Ηλεκτροστατικός διαχωρισμός των κόκκων εκμεταλλευόμενοι τις πιθανές ηλεκτροστατικές ιδιότητες των ορυκτών.

Επίπλευση σε νερό, εκμεταλλευόμενοι τις ιδιότητες των υδρόφιλων και υδρόφοβων ορυκτών (ιδιότητα των επιφανειών να βρέχεται η να μην βρέχεται).

Μέθοδοι ορυκτολογικής ανάλυσης φάσεων

Οι μέθοδοι αυτοί αποτελούν κυρίως από:φυσικές μεθόδους αναγνώρισης

των ορυκτών φάσεων λόγω φυσικών ιδιοτήτων τους

Χημικές μεθόδους που βασίζονται στην χημική ανάλυση, εκμεταλλευόμενοι τις ιδιότητες των στοιχείων που τους δίνει η εξωτερική στοιβάδα ηλεκτρονίων

Φυσικές Μέθοδοι ορυκτολογικής ανάλυσης φάσεων

Μερικές μόνο από την πληθώρα μεθόδων ανάλυσης με φυσικές μεθόδους είναι: Οπτικές μέθοδοι με πολωμένο φως με το πολωτικό ή μεταλλογραφικό μικροσκόπιο

Πολωμένο διερχόμενο φως για διαφανή ορυκτά Πολωμένο ανακλώμενο φως για αδιαφανή (κυρίως μεταλλικά ορυκτά)

Ηλεκτρονική μικροσκοπία Περίθλαση ακτίνων Χ: Δομή των κρυστάλλων και ανάλυση φάσεων με ακτίνες Χ. Θερμικές μέθοδοι ανάλυσης, π.χ. διαφορική θερμική ανάλυση (DTA). Φασματοσκοπικές μέθοδοι ανάλυσης σε διαλυμένα δείγματα των ορυκτών ή

απευθείας στα ορυκτά χωρίς προετοιμασία (π.χ. IR/FTIR φάσματα απορρόφησης, Raman με την παραγωγή διασποράς φωτονίων σε διαφορετικές ενέργειες και ανάλυση του φάσματος)

Φθορισμός των στοιχείων των ορυκτών φάσεων που γίνεται με βομβαρδισμό του δείγματος με ακτίνες Χ (XRF) ή ακόμη και με δέσμες ηλεκτρονίων μεγάλης ενέργειας.

Φασματομετρία μάζας με απελευθέρωση ιόντων από το δείγμα είτε θερμικά ή βομβαρδισμό του δείγματος με ακτίνες άλλων ιόντων στοιχείων (π.χ. οξυγόνου ή καισίου) ή ακόμη και με λέϊζερ. Τα ιόντα αναλύονται με ευαίσθητους φασματογράφους μάζας κατά μάζα.

Ατομική απορρόφηση, με απορρόφηση φάσματος από άτομα που είναι διεγερμένα σε φλόγα.

Πολλές άλλες μέθοδοι που εκμεταλλεύονται συγκεκριμένες φυσικές ιδιότητες των στοιχείων, που τους δίνονται είτε από τις διαφορές κατασκευής των ηλεκτρονίων τους είτε και του πυρήνα τους.

Άλλες μέθοδοι ορυκτολογικής ανάλυσης φάσεων

Άλλες μέθοδοι χαρακτηρισμού είναι η εξέταση των υγρών εγκλεισμάτων, δηλαδή εγκλεισμάτων υγρής και αέριας φάσης ή ακόμη και συνυπάρχουσας στερεάς που βρίσκονται σε φυσαλίδες μέσα στους κρυστάλλους. Τα υγρά εγκλείσματα κλείστηκαν μέσα στους κρυστάλλους κατά την ανάπτυξη αυτών. Η ανάλυσή τους μπορεί να μα δώσει θερμοκρασίες σχηματισμού των ορυκτών ή να έχουν οικονομική σημασία κατά την εξόρυξη μια και μπορεί να επιδράσουν σε αυτή.

Στο ύπαιθρο θα πρέπει να είμαστε ικανοί να αναγνωρίζουμε τις πιο κοινές φάσεις ή ακόμη και τις πιο σπάνιες μετά από εμπειρία στην συγκεκριμένη έρευνα με απλές μεθόδους. Ήδη αναφέραμε το χρώμα των ορυκτών, το είδος των κρυστάλλων που σχηματίσει, την γραμμή κόνεως ή την σκληρότητά του, αλλά επίσης και την λάμψη του, την παραγένεσή του (πια άλλα ορυκτά σχηματίζονται και συνυπάρχουν μαζί του) κτλ. Πολλές από αυτές τις ιδιότητες θα τις δείτε και θα τις μάθετε στο εργαστήριο της πετρολογίας.

Επίσης στο ύπαιθρο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε και φορητά μηχανήματα διάκρισης, όπως για παράδειγμα φωταύγειας των ορυκτών φωτίζοντάς τα με ειδικές λάμπες, ραδιομετρίας με συσκευές Geiger Mueller όταν αυτά είναι ραδιενεργά, με επίδραση με ελαφρά οξέα κτλ.

Ανάλυση με Περίθλαση ακτίνων Χ

Χρησιμοποιούμε την περίθλαση των ακτίνων Χ για να πάρουμε πληροφορίες δομής ενός κρυστάλλου ορυκτού ή για ανάλυση ορυκτών φάσεων ενός πετρώματος.

Την δομή των ορυκτών μπορούμε να πάρουμε κατά την περίθλαση των ακτίνων Χ πάνω σε μονοκρυστάλλους ορυκτών ή σε σκόνη.

Περίθλαση συμβαίνει όταν έχουμε μια σχεδόν μονοχρωματική δέσμη που κατευθύνεται και διέρχεται από ένα περιοδικά διατεταγμένο σύστημα.

Ο τύπος του Bragg Η ακτίνες Χ παράγονται όταν ισχυρή δέσμη ηλεκτρονίων (μεγάλης ενέργειας) προσπίπτει σε

υλικά. Τα ηλεκτρόνια εσωτερικών στιβάδων απορροφούν την ενέργεια, μεταφέρονται σε υψηλότερες στιβάδες,

και μεταπηδούν και πάλι στην αρχική τους στιβάδα εκπέμποντας ενέργεια. Αυτή η ενέργεια φαίνεται σαν ένα φάσμα συχνοτήτων Κάποιες συχνότητες είναι αρκετά υψηλές, αυτές που ταυτίζονται με τις διάφορες μεταπτώσεις των

ηλεκτρονίων των ατόμων του συγκεκριμένου υλικού που χρησιμοποιούμε για την παραγωγή των ακτίνων. Τις ακτίνες Χ τις κατευθύνουμε με μορφή δέσμης πάχους μερικών χιλιοστών, ή πλέον στα πιο

μοντέρνα αναλυτικά μηχανήματα μερικών μικρών (μέχρι και 10 μm), Τα δείγματα μπορεί να είναι σκόνη ή και μονοκρυστάλλοι. Οι ακτίνες υπόκεινται περίθλαση, δηλαδή πολλαπλές ανακλάσεις μεταξύ των ατόμων του δείγματος Κατά την περιστροφή του κρυστάλλου ως προς την δέσμη των ακτίνων Χ, μόνο σε ορισμένες γωνίες

συμβαίνει η ακτίνες Χ να ανακλώνται από την επιφάνεια του δείγματος, αυτές για τις οποίες ισχύει ο τύπος του Bragg

ο τύπος του Bragg : n λ = 2 d ημ(θ) όπου: n = 1, 2, 3, ... ακέραιος αριθμός λ = το μήκος κύματος της δέσμης των ακτίνων Χ που είναι γνωστό και εξαρτάται από το στοιχείο τηε

καθόδου (π.χ. το χρώμιο, Cr, δίνει την Ka στα 2.29092nm ενώ ο χαλκός, Cu, δίνει την Ka στα 1.54178nm -nm σημαίνει νανόμετρα).

θ = είναι η γωνία πρόσπτωσης ή ανάκλασης της ακτίνας Χ σε σχέση με τα κρυσταλλικά επίπεδα, και την ορίζουμε εμείς μια εμείς ελέγχουμε τον ρυθμό περιστροφής του δείγματος

d = είναι οι αποστάσεις των διαφορετικών ατόμων στο πλέγμα του κρυστάλλου και αυτό είναι το ζητούμενο. Ένας κρύσταλλος χαρακτηρίζεται από περισσότερες της μιας πλεγματικές αποστάσεις που περιγράφουν την εσωτερική δομή του.

Μελέτη διαγραμμάτων που προκύπτουν από περίθλαση ακτίνων Χ

Το αποτέλεσμα τελικά είναι ένα διάγραμμα με οριζόντιο άξονα την γωνία θ (η σωστότερα 2θ, επειδή είναι το άθροισμα της προσπίπτουσας και της ανακλώμενης ακτίνας, δηλαδή θ+θ=2θ) και κάθετο την ένταση της ανακλώμενης ακτινοβολίας. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται σαν πολλαπλές κορυφές που αντιστοιχούν σε ανακλάσεις.

Από τις κορυφές παίρνουμε το 2θ, υπολογίζουμε το θ, και εφαρμόζουμε την εξίσωση του Bragg λύνοντας ως προς d. Το σύνολο των d με κατάλληλη μαθηματική επεξεργασία δίνει πληροφορίες όπως:

Προσδιορισμός της σταθεράς του πλέγματος. Δομή της στοιχειώδους κυψελίδας, όπου βλέπουμε πως πάντα επαληθεύονται

και οι κρυσταλλογραφικοί κανόνες που μάθαμε Μορφή και μέγεθος της στοιχειώδους κυψελίδας Προσδιορισμός του αριθμού των ατόμων που περιέχονται στην στοιχειώδη

κυψελίδα Προσδιορισμός της ομάδας μεταφοράς Προσδιορισμός της χωροομάδας Προσδιορισμός της θέσης των ατόμων Προσδιορισμός της πυκνότητας των ηλεκτρονίων Προσδιορισμός των ενδοατομικών αποστάσεων και των σχετικών γωνιών τους Εκλέπτυνση δομής

Εμπορικό σύστημα XRD

Ηλεκτρονικά τροφοδοσίας καιΚαταγραφικά συστήματα

Γωνιόμετρο, δειγματοφορέας καιΠηγή ακτίνων Χ

Μηχανισμός λειτουργίας ενός περιθλασίμετρου ακτίνων Χ

Αποτέλεσμα πριν την επεξεργασία

Ένα διάγραμμα με κορυφές που στον κατακόρυφο άξονα έχει την ένταση της δέσμης που ανακλάται, στον οριζόντιο τις μοίρες (γωνία)

που κινείται το γωνιόμετρο

Επεξεργασία διαγραμμάτων

Ορίζουμε το 100% από την υψηλότερη κορυφή

Υπολογίζουμε τις κορυφές σε ποσοστά %

Για κάθε κορυφή μετατρέπουμε το 2Θ σε d με χρήση του

τύπου Bragg

Ανάλυση πετρωμάτων με περιθλασιμετρία ακτίνων Χ

Τα πετρώματα αποτελούνται από ορυκτά, συνήθως περισσότερα του ενός σε αριθμό. Αναμένουμε λοιπόν ότι και το σύνολο των d που θα πάρουμε από τα διαγράμματα περίθλασης των ακτίνων Χ θα είναι μια ανάμειξη των d όλων των ορυκτών φάσεων.

Καλούμαστε να ξεχωρίσουμε τα d που ανήκουν σε κάθε ορυκτό. Από πίνακες γνωρίζουμε τα d του κάθε ορυκτού και πλέον με την βοήθεια υπολογιστών και ειδικών προγραμμάτων με πλούσιες βάσεις δεδομένων (παλαιότερα τυπωμένοι πίνακες ή σύστημα καρτών) και μηχανές ανεύρεσης ταυτίζουμε τα d του διαγράμματος μας με τα d των ορυκτών από την βάση δεδομένων.

Τα ορυκτά των οποίων τα d ταυτίζονται με αυτά του διαγράμματός μας είναι και τα πιθανότερα ορυκτά που περιέχονται στο δείγμα. Η εμπειρία είναι ένας επιπλέον παράγοντας για σωστά αποτελέσματα.

Αποτέλεσμα

Μία λίστα ορυκτών που περιέχονται στο άγνωστο δείγμα: Ορυκτο Α: κορυφές α1, α2, … Ορυκτό Β: κορυφές β1, β2, … κτλ.

Φασματομετρία φθορισμού με ακτίνες Χ (XRF)

Λειτουργία του XRF

Τα δείγματαβομβαρδίζονται μεακτίνες Χ

Το δείγμα εκπέμπειδιάφορες συχνότητες,χαρακτηριστικές των χημικών στοιχείων που περιέχει

Οι διαφορετικές συχνότητες φαίνονται σαν κορυφές σε διάγραμα με ενέργεια στον οριζόντιο άξονα και ένταση στον κατακόρυφο

Κάθε κορυφή έχει διαφορετική ένταση που εξαρτάται από την ποσότητα του χημικού στοιχείου στο δείγμα

Διαφορές XRD και XRF

τύπος του Bragg : n λ / 2 ημ(θ) = d

τύπος του Bragg : n λ = 2 d ημ(θ)

XRD

XRF

Μεταβάλλουμε το θ για να πάρουμε το dενώ όλα τα άλλα παραμένουν σταθερά

Διαχωρίζουμε τις διάφορες ενέργειες που εκπέμπονται από το δείγμα μα κρύσταλλο συγκεκριμένου d, οπότε για διαφορετικά θ έχουμε διαφορετικά λ (σε ενέργεια μεταφραζόμενα)

Δίνει κρυσταλλογραφική/δομική ανάλυση του κρυσταλλικού ορυκτού (όχι άμορφων υλικών)

Δίνει χημική σύσταση οποιουδήποτε υλικού (π.χ. κρυσταλλικού ή άμοροφου ορυκτού)

Διάταξη οργάνου XRD

Πηγή Ακτίνων Χ

Μονοχρωμάτορας

Δείγμα

ΣυλλέκτηςΑκτίνων Χ

Μονοχρωματικήακτινοβολία Χ

(μήκος κύματος λ)

Περιστροφή κατά θ

Περιστροφήκατά 2θ

Περιστρέφοντας δείγμα και συλλέκτη μαζί (κατά βήματα θ και 2θ αντίστοιχα) κάνουμε καταγραφή ανακλάσεων για όσα θ επαληθεύουν τον τύπο του Bragg. Έπειτα, για το κάθε θ, επιλύουμε ως προς d (τύπος Bragg). Κρυσταλλογραφική/δομική ανάλυση κρυστάλλου.

Διάταξη οργάνου XRF

Πηγή Ακτίνων Χ

Μονοχρωμάτορας

Δείγμα

ΣυλλέκτηςΑκτίνων Χ

Μονοχρωματικήακτινοβολία Χ

(μήκος κύματος λ)

Περιστροφή κατά θ

Το δείγμα ακτονοβολείται με ακτίνες Χ εύρους μηκών κύματος. Ηλεκτρονιακές μεταπτώσεις στο δείγμα παράγουν χαρακτηριστική ακτινοβολία που εξαρτάται από την χημική σύσταση. Με τον μονοχρωμάτορα αναλύουμε κατά μήκος κύματος (και κατ’ επέκταση κατά ενέργεια) την χαρακτηριστική ακτινοβολία (κορυφές στο διάγραμμα που παίρνουμε). Η μετατροπή γίνεται με τον τύπο του Bragg, όπου το d είναι σταθερό και μάλιστα αυτό του κρυσταλλικού μονοχρωμάτορα. Η γωνία θ μεταβάλλεται από εμάς, οπότε επιλύουμε ως προς λ. Χημική ανάλυση υλικού

Θερμικές μέθοδοι

Οι μεταβολές που υπόκεινται τα ορυκτά όταν αυτά θερμαίνονται μπορούν να μετρηθούν και να μας δώσουν ποιοτικές ή ποσοτικές πληροφορίες σχετικά με αυτά.

Οι μεταβολές που προέρχονται κατά την αύξηση της θερμοκρασίας τους είναι Απομάκρυνση απορροφημένου νερού ή κρυσταλλικού νερού Απομάκρυνση του διοξειδίου του άνθρακα Χημικές αντιδράσεις μεταξύ των φάσεων που θερμαίνονται -εάν

είναι περισσότερες από μια Αλλαγές στο πλέγμα των ορυκτών

Οι μεταβολές αυτές μετρούνται με την αλλαγή των παρακάτω Μεταβολή του αρχικού βάρους (θερμοβαρυμετρία), π.χ. όταν μια

αέρια φάση διασπάται και φεύγει από το δείγμα Μεταβολή της θερμοκρασίας (θερμοανάλυση) του δείγματος, π.χ.

με εξώθερμες οι ενδόθερμες αντιδράσεις Μεταβολή του όγκου (διαστολομετρία)

Διαφορική θερμική ανάλυση (DTA)

Η θερμοανάλυση ονομάζεται και διαφορική θερμική ανάλυση (DTA, Differential Thermal Analysis).

Οι αναλύσεις αυτές γίνονται με όργανα τα οποία περιέχουν έναν πολύ ευαίσθητο ζυγό και ευαίσθητα θερμόμετρα συνδεδεμένα σε έναν φούρνο.

Οι μεταβολές που δείχνει το θερμόμετρο φαίνονται σε διαγράμματα που οι καμπύλες τους ονομάζονται DTA καμπύλες ενώ οι μεταβολές βάρους στις DTG καμπύλες.

TG/DTA καμπύλες του καολινίτη αυ 20°C/min.

Αυξάνοντας την θερμοκρασία του δείγματος προκαλούμε αντιδράσεις που φαίνονται σαν διαφορές θερμοκρασίας και βάρους από τις αντίστοιχες καμπύλες

TG/DTA αναλύσεις του δολομίτη

CaMg (CO3)2 CaC03 + MgO + CO2

1η απώλεια βάρους (800°C) 2η απώλεια βάρους (950°C)

Ηλεκτρονική μικροσκοπία

Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο(Βρίσκεται στο εργαστήριό μας)

Αποκρυστάλλωση του γυαλιού

Εικόνα οπισθοσκέδασης (backscattering)

SEM εικόνα (δευτερογενών ηλεκτρονίων)

ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΊΑ RAMANScattering Raman microscopy.Μικροσκοπία διάχυσης Raman

Ηλεκτρομαγνητικό κύμα

Ζ

Χ

Υ

Ε

Η

λ

=Ηλεκτρικό πεδίο του κύματος

=Μαγνητικό πεδίο του κύματος

Μήκος κύματος

Εξισώσεις κύματος

)2cos(0 vtEE

Hzs

scms

cmcv

101

1010101031031103103

111~ cmcmc

c

c

vv

ν = συχνότητα ακτινοβολίας

t = χρόνος

Η συχνότητα του κύματος εκφράζεται από τον τύπο:

Από την συχνότητα ή από το μήκος κύματοςμπορούμε να πάρουμε τον κυματαριθμό (wavenumber):

Ενεργειακές μεταβολές ατόμων/μορίων

e-

E1

E2e-

e-

e- e-e-

e-

e-

e-

hv

hv

Απορρόφηση Εκπομπή

vhchEEE ~12

Συμμετρική και αντισυμμετρική παραμόρφωση

μ

α

t, χρόνος

μ

α

t, χρόνος

Συμμετρική παραμόρφωση τουευθύγραμμου μορίου του CO2.Η ροπή δίπολου (μ) παραμένεισταθερή.Η πολικότητα (α) μεταβάλλεταιπεριοδικά με το χρόνο.

Αντισυμμετρική παραμόρφωσητου ευθύγραμμου μορίου του CO2.Η ροπή δίπολου (μ) μεταβάλλεται.Η πολικότητα (α) παραμένει σχεδόνσταθερή (μεταβάλλεται πολύ λίγο).

Δίνει έντονο φαινόμενο Ramanαλλά όχι IR.

Δίνει έντονο φαινόμενο IR αλλά πολύ μικρό Raman.

Ενεργειακές μεταβολές ατόμων/μορίων κατά το φαινόμενο Raman e-

e-

e-

E1

E2

e-

hv0

hv0

Anti-Stokes

)~~( 0012 vvhchvhEEE

e-

e-

e-

e-

e-

Stokes

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

e-

Rayleigh scattering(ελαστική)

Raman scattering (ανελαστική)

hv0

hv0

h(v0-v)

h(v0+v)

Φάσμα Raman του ασβεστίτη

0

20

40

60

80

100

120

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200

Κυματαριθμός

Έν

τασ

η

1086cm-1

Το μικροσκόπιο Raman του εργαστηρίου μας

Διάταξη του μικροσκοπίου

Φακός εστίασηςΛέιζερ

Φίλτρο απορρόφησηςτης Rayleigh

Οπτικόδιάφραγμα

Ανάλυση φάσματος(grating)

CCDκάμερα

Δείγμα

Εφαρμογές Φασματομετρίας Μάζας Δευτερογενών Ιόντων (SIMS).

Γεωχρονολογήσεις (Ραδιενεργά ισότοπα) Γεωθερμόμετρα, περιβάλλοντα σχηματισμού,

τροφικές αλυσίδες (Σταθερά ισότοπα) Περιβαλλοντολογία Κρυστάλλωση, κλασμάτωση, αντιδράσεις

διάχυσης και εξαλλοίωσης ορυκτών και πετρωμάτων

Εξάτμιση η ανάμιξη ρευστών φάσεων Κοσμοχημεία (προέλευση και εξέλιξη του ηλιακού

συστήματος) Προφίλ και στοιχειακοί/ισοτοπικοί χάρτες σε

2 και 3 διαστάσεις (ανομοιογένεια και κατανομές σε μικροκλίμακα στοιχείων, σπάνιων γαιών, ιχνοστοιχείων)

Οργανική γεωχημεία (οργανικά ορυκτά, macerals, και ιχνοστοιχεία ή ανόργανες φάσεις σε αυτά)

Κρυσταλλοχημεία και δομή επιφανειών ορυκτών

Υγρά εγκλείσματα

Αρχή λειτουργίας της SIMS

m3>m2>m1

ΜαγνητικόςΑναλυτής

Ηλεκτροστατικός Αναλυτής

e

mV

BR

21

ΠρωτογενήςΔέσμη Ιόντων

Δευτερογενής ΔέσμηΙόντων

Δείγμα

ΣυλλέκτεςΕνέργεια (eV)

Πλή

θος ι

όντω

ν Ενεργειακόπαράθυρο

Μοριακά

Μονοατομικά

+ ή -ΗλεκτρικόΔυναμικό

Time-of-Flight SIMS αναλυτής

Τ1 Τ2 Τ3

mν > m3 > m2 > m1

τ0 τ0+1 Δτ τ0+2 Δτ τ0+ν Δτ

m1

m2

m3mν

Πρωτογενής ΔέσμηΙόντων (παλμική)

Δευτερογενής Δέσμη Ιόντων

Δείγμα

Συλλέκτης

Ηλεκτροστατικός

Ανακλαστήρας

TOF-SIMS φάσματα

24Mg ion map40Ca ion map Isotope Overlap of 40Ca, 24Mg & 28Si.Single ion maps can be overlapped to compare their distribution (RGB colour scheme –Red, Green, Blue)

Μελέτη δομής επιφανειών και τοπογραφίας με STM, AFM

STM = Scanning Tunnelling Microscopy AFM = Atomic Force Microscopy

Οι επιφάνειες των ορυκτών είναι οι “είσοδοι” από τις οποίεςάλλα στοιχεία εισέρχονται και αντιδρούν με αυτά.

Η μελέτη της δομής των επιφανειών των ορυκτών σε ατομικό επίπεδο μπορεί να δώσει πληροφορίες για τον τρόπο αντίδρασης και την σταθερότητα των ορυκτών και γενικότερα των υλικών.

Η χρήση των τεχνικών STM και AFM ήδη έχει εισέλθει στις γεωεπιστήμες.Ο συνδυασμός τους με SIMS, και άλλων μεθόδωνχαρακτηρισμού ακριβείας, θα είναι όλο και ποιό συχνή.

AFM – Απόλυτη τοπογραφία !

Τα σωματίδια αυτά είναι ενυδατωμένο θειϊκό αμμώνιο , (NH4)2SO4, και συλλέχθηκαν από τον Βόρρειο Ατλαντικό από μάζες μολυνσμένου αέρα από την Ευρώπη (πείραμα Atlantic Stratocumulus Transition

Experiment/Marine Aerosol and Gas Exchange - ASTEX/MAGE).

H μικροσκοπία AFM βοήθησε στην μελέτη της ακριβούς τοπογραφίας αυτών χωρίς να χρειαστεί να aφυδατώσουν τα δείγματα, όπως άλλες

μέθοδοι θα απαιτούσαν, ιδιαίτερα όταν πρέπει τα δείγματα να μπούν σε υψηλό κενό.

Το μέγεθος του κάθε σωματιδίου είναι 1.6μm.http://7starm.asu.edu/aerosol.html

Βασίζεται στην αντίδραση Coulomb μεταξύ ατομικών πυρήνων της ακίδαςκαι των πυρήνων των ατόμων του δείγματος

STM – Το απόλυτο μικροσκόπιο !

Επιφάνεια200Å200Å μιας επιφάνειας α-Fe2O3.

Αυτή η εικόνα δείχνει δύο τύπους “νήσων” περιοδικά τοποθετημένων σε έναν εξαγωνικό υπερ-κρύσταλλο

με θεμελιώδη κυψελίδα διαστάσεων 40 ± 5 Å, περιστρεμμένη κατά 30° σε σχέση με την

κρυσταλλική δομή του α-Fe2O3. Prof. Vaugan, Manch. Univ.

Δd Πιεζοηλεκτρικός κρύσταλλος

Μεταλλική ακίδα

10Å, 1nA στο 1VTunnelling

ρεύμα

Και όχι μόνο!