Műszeres analitika a talajtani vizsgálatokban

Műszeres analitika a talajtani vizsgálatokban Tárgyfelelős: dr Czinkota Imre egyetemi adjunktus TL 319C

Meghirdetésre kerül: 1+0 C tárgyként a tavaszi félévben az MTK, KTI és PhD hallgatók részére Előkövetelmény: Kémia, Fizika, Talajtan, Agrokémia, Mechanika

Órabeosztás 1.

1.1.1. Mikrokalorimetria 1.1.2. Differenciál Scanning Kalorimetria, DSC

2.

1.1.3. Differenciál Termoanalízis, DTA 1.1.4. Differenciál Termogravimetria, DTG

3.

1.2.1. Elektromos kapacitás vizsgálat 1.2.2. Neutronszóródás vizsgálat

4.

1.3.1. Mágneses rezonancia vizsgálatok NMR, ESR

5.

1.3.2. Röntgen fluoreszcencia XRFS

6.

2.1.1. Konduktometria 2.1.2. Potenciometria

7.

2.1.3. Redoxvizsgálatok

8.

2.2.1. Ionkromatográfia 2.2.2. Nagynyomású folyadékkromatográfia

9.

2.2.3. Gélkromatográfia 2.2.4. Gázkromatográfia

10. 3.1.1. Részecskeméret elemzés 11. 3.1.2. Elektronmikroszkópos vizsgálatok 12. 3.1.3. Fajlagos felület meghatározás 13. 3.2.1. Röntgen diffrakciós vizsgálatok 14. 3.3.1. Infravörös spektroszkópia 3.3.2. Raman spektroszkópia 15. 3.4.1. Elektrokinetikai potenciál mérése 3.4.2. Kis szögű röntgen diffrakciós vizsgálat, SAXS

2

Tartalomjegyzék 1. A teljes talaj vizsgálatára alkalmas mérési módszerek 1.1. Termikus vizsgálatok 1.1.1. Mikrokalorimetria 1.1.2. Differenciál Scanning Kalorimetria, DSC 1.1.3. Differenciál Termoanalízis, DTA 1.1.4. Differenciál Termogravimetria, DTG 1.2. A talaj nedvességállapotának vizsgálata 1.2.1. Elektromos kapacitás vizsgálat 1.2.2. Neutronszóródás vizsgálat 1.3. A teljes talajok roncsolásmentes kémiai vizsgálata 1.3.1. Mágneses rezonancia vizsgálatok NMR, ESR 1.3.2. Röntgen fluoreszcencia XRFS 2. A talaj folyadékfázisának illetve talajkivonatok vizsgálatára alkalmas mérési módszerek 2.1. Elektrokémiai vizsgálati módszerek 2.1.1. Konduktometria 2.1.2. Potenciometria 2.1.3. Redoxvizsgálatok 2.2. Kromatográfiás módszerek 2.2.1. Ionkromatográfia 2.2.2. Nagynyomású folyadékkromatográfia 2.2.3. Gélkromatográfia 2.2.4. Gázkromatográfia 3. A talaj szilárd fázisának vizsgálatára alkalmas módszerek 3.1. A talaj szilárd fázisának fizikai vizsgálata 3.1.1. Részecskeméret elemzés 3.1.2. Elektronmikroszkópos vizsgálatok 3.1.3. Fajlagos felület meghatározás 3.2. A talaj szervetlen fázisának krisztallográfiai elemzése 3.2.1. Röntgen diffrakciós vizsgálatok 3.3. A talaj szerves fázisának elemzésére alkalmas módszerek 3.3.1. Infravörös spektroszkópia 3.3.2. Raman spektroszkópia 3.4. A szilárd fázis felületi tulajdonságainak vizsgálata 3.4.1. Elektrokinetikai potenciál mérése 3.4.2. Kis szögű röntgen diffrakciós vizsgálat, SAXS

3

1. A teljes talaj vizsgálatára alkalmas mérési módszerek 1.1. Termikus vizsgálatok 1.1.1. Mikrokalorimetria A mérés elve Egy kémiai reakció lejátszódása során hő fejlődik, illetve nyelődik el. Ha ezt a reakcióhőt ismerjük a termodinamika törvényei alapján következtetni tudunk a reakció egyensúlyának állapotára, vagyis kiszámíthatjuk, hogy milyen irányban van eltolva az egyensúlyi reakció. A mérés megvalósítása Egy folyamat során bekövetkező hőváltozás mérésére kalorimetriát vagy kis hőeffektusok esetében a mikrokalorimetriát használjuk. A módszer lényege, hogy a környezetétől termikusan elszigetelt tartályban hozzuk össze a reakció kiinduló anyagait, majd a reakció lejátszódása után az eredeti hőmérsékletet állítjuk vissza úgy, hogy pontosan mérjük az eközben bevitt vagy elvont hő nagyságát. Erre általában a Peltier effektust használjuk, melynek lényege, hogy két különböző fém forrasztási pontján a fémeken vezetetett áramiránytól függően, az áramerősséggel arányos nagyságú hő fejlődik illetve vonódik el. Így a hőáramlást a könnyen megoldható áramerősség méréssel jellemezhetjük. Integrálva az eredeti hőmérséklet beállásáig átfolyt áram erősségét megkaphatjuk a reakció során felszabaduló vagy elvonódott hőt. Az áramerősség és hőmennyiség közötti összefüggés arányossági tényezőjét általában kalibrálással határozzuk meg úgy, hogy ismert mennyiségű hőt viszünk a rendszerbe majd megmérjük az ehhez tartozó áramot. Ismert mennyiségű hőt bevihetünk például Joule-hő formájában, vagyis egy pontosan ismert ellenállást helyezhetünk a tartályba, majd ezen adott ideig, adott erősségű áramot vezetünk át. Az újabb készülékeken ezt a kalibrációt a gyártó cég elvégzi, és a készülékhez szállított szoftver már a reakcióhőt számolja ki. A módszer használata a talajvizsgálatokban Mérhetjük a száraz talaj nedvesítésekor felszabaduló hőeffektust, nedvesedési hőt. Ebből következtethetünk arra, hogy a talaj milyen erősséggel köti magához a vizet, vagyis mennyire hidrofil. Ha ismerjük a szilárd fázis fajlagos felületét akkor kiszámíthatjuk a felületegységre eső nedvesedési hőt. Ez függ a talajt kialakító szervetlen anyagok felületének minőségétől, a talaj szerves anyag tartalmától és annak minőségétől. Ezek a tényezők összefüggnek a talajképző folyamatokkal, a talajt ért egyéb kémiai és fizikai behatásokkal, így követhetjük egy agrotechnikai tevékenység pl. talajművelés, műtrágyázás hatását a talaj vízkőtő képességére. Ezzel a módszerrel mérhetünk adszorpciós, illetve kemiszorpciós hőket, melyek szintén változhatnak az agrotechnikával. Ezt úgy valósíthatjuk meg, hogy az előzőleg nedvesített talajt összehozzuk az adszorbeálandó anyag oldatával és mérjük az eközben felszabaduló hő mennyiségét. Ezekből a szorpciós kötés erősségére, illetve a szorpciós egyensúlyokra következtethetünk, amelyek igen fontosak a talaj tápanyag-szolgáltató képességének kialakításában. 1.1.2. Differenciál Scanning Kalorimetria, DSC

4

A mérés elve Különböző anyagok a hőmérséklettől függően különböző kémiai vegyületek formájában halmazállapotokban, vagy különböző kristályszerkezetben találhatók. A hőmérséklet változtatásával elérhetjük azt a pontot, ahol az adott anyag kémiai formája, kristályszerkezete vagy halmazállapota megváltozik. Ezt az átalakulást leggyakrabban hőjelenség kíséri. Detektálva az átalakulás hőmérsékletét illetve az eközben felszabaduló hőmennyiséget azonosíthatjuk az anyag kémiai szerkezetét, ha az észlelt hőeffektusokat ismert, tiszta kémiai anyagoknál mért hőjelenségekkel összevetjük. A mérés megvalósítása A differenciál termo analízis mint a nevében is benne van, két anyag termikus tulajdonságait hasonlítja össze. A berendezés tulajdonképpen egy szabályozható módon fűthető kemencéből és ebben elhelyezve két mintatartóból áll. Mindkét mintatartóban egy-egy termoelem található melyek feszültségéből következtethetünk a mintatartók hőmérsékletére. Az egyik mintatartóban általában inert, a hő hatására nem változó anyagot például alumínium-oxidot helyezünk, a másik mintatartóba tesszük a mérendő mintát. A kemencét felfűtve a mérendő mintában lejátszódnak az előbbiekben említett fizikai és kémiai folyamatok melyek hőt termelnek vagy vonnak el a mintából. Mérve a mérendő és az inert mintába befolyó hőmennyiséget megállapíthatjuk, hogy milyen átalakulási hőeffektusok lépnek fel a felfűtés során. Ábrázolva a minta hőmérsékletét a kemence vagy ami ezzel megegyezik az inert anyag hőmérsékletének függvényében megkapjuk a DSC görbét. A görbén látható negatív csúcsok, ahol a mintatartóba áramlott be kevesebb hő, hőtermelő, exoterm folyamatra utalnak, a pozitív csúcsok egy hőelvonó, endoterm folyamatot jeleznek. A görbéről leolvashatjuk a csúcsok helyét az x tengely mentén, ami az átalakulás hőmérsékletét mutatja a csúcsok magassága az átalakulás sebességével áll összefüggésben míg a csúcsok alatti terület megegyezik az átalakulási hővel. A módszer használata a talajvizsgálatokban A talajt alkotó különböző szervetlen alkotórészek a hőmérséklettől függően különböző kristályállapotban fordulhatnak elő, az átkristályosodást hőjelenségek kísérik. Az átalakulás hőmérsékletéből és a felszabadult vagy elnyelődött hő mennyiségéből következtethetünk a talajban található kristályos és amorf szervetlen vegyületek típusára, valamint a keletkezett hőeffektust a tiszta anyag által okozott hőeffektussal összevetve megállapíthatjuk annak koncentrációját is. A talajban található fizikailag és kémiailag kötött víz a talajból a kötés erősségének függvényében különböző hőmérsékleteken, és különböző hőeffektus kíséretében távozik, ebből a mikrokalorimetriánál leírtak alapján a talaj víztartó képességére következtethetünk, kiegészítve azzal, hogy mérhetjük a különböző hőmérsékleteken a talajon megkötött víz energia állapotát. A talajban található szerves komponensek a levegőn történő hevítés hatására elégnek, miközben hő fejlődik. A szerves anyag égésekor felszabaduló hő erősen függ a benne található funkciós csoportok minőségétől és mennyiségétől, pl. a szénhidrogének égéshője jóval nagyobb mint a rövid szénláncú szerves savaké. Az égés kezdő hőmérséklete viszont a szerves anyagok gyulladási, bomlási hőmérsékletétől függ. Így a mért görbéből következtetni lehet a szerves anyagok típusára, illetve ennek megváltozására a különböző kezelések hatására.

5

1.1.3. Differenciál Termoanalízis, DTA A mérés elve A mérés elve megegyezik a DSC-nél tárgyaltakkal. A mérés megvalósítása A differenciál termo analízis mint a nevében is benne van, két anyag termikus tulajdonságait hasonlítja össze. A berendezés tulajdonképpen egy szabályozható módon fűthető kemencéből és ebben elhelyezve két mintatartóból áll. Mindkét mintatartóban egy-egy termoelem található melyek feszültségéből következtethetünk a mintatartók hőmérsékletére. Az egyik mintatartóban általában inert, a hő hatására nem változó anyagot például alumínium-oxidot helyezünk, a másik mintatartóba tesszük a mérendő mintát. A kemencét felfűtve a mérendő mintában lejátszódnak az előbbiekben említett fizikai és kémiai folyamatok melyek hőt termelnek vagy vonnak el a mintából. Ez a minta hőmérsékletének a felfűtés sebességénél gyorsabb vagy lassabb emelkedését okozzák. Ábrázolva a minta hőmérsékletét a kemence vagy ami ezzel megegyezik az inert anyag hőmérsékletének függvényében megkapjuk a differenciál termogramot, vagy más néven DTA görbét. A DTA görbén látható pozitív csúcsok, ahol a mintatartó a melegebb, hőtermelő, exoterm folyamatra utalnak, a negatív csúcsok egy hőelvonó, endoterm folyamatot jeleznek. A görbéről leolvashatjuk a csúcsok helyét az x tengely mentén, ami az átalakulás hőmérsékletét mutatja a csúcsok magassága az átalakulás sebességével áll összefüggésben míg a csúcsok alatti terület az átalakulási hővel arányos. Hátránya a módszernek, hogy nem tudjuk az átalakulási hőket egyértelműen meghatározni a görbéről mivel a görbe hőmérséklet változást jelöl. Ahhoz, hogy az átalakulási hőt ebből kiszámítsuk szükségünk lenne a minta hőkapacítására, ami erősen hőmérsékletfüggő, sőt az átalakulások során ugrásszerűen változik. A módszer hátránya a DSC-vel szemben az, hogy a minta hőkapacitásának megváltozása miatt nem tudjuk egyértelműen meghatározni az átalakulási hőket. Mivel ez a módszer egyszerűbben megvalósítható, így ezt használták korábban, és még ma is széleskörűen használatos. A módszer használata az talajvizsgálatokban A talajvizsgálatokban a módszer használata megegyezik a DSC módszer használatával. 1.1.4. Differenciál Termogravimetria, DTG A mérés elve Különböző anyagok a hőmérséklettől függően különböző kémiai vegyületek formájában vagy halmazállapotokban találhatók. A hőmérséklet változtatásával elérhetjük azt a pontot, ahol az adott anyag kémiai formája vagy halmazállapota megváltozik. Ezt az átalakulást a minta tömegének megváltozása kísérheti. Például párolgás vagy gázállapotú termékek megkötése vagy keletkezése és távozása. Detektálva az átalakulás hőmérsékletét illetve az eközben a minta tömegének megváltozását azonosíthatjuk az anyag kémiai szerkezetét, ha az észlelt tömegváltozásokat ismert, tiszta kémiai anyagoknál mért tömegváltozással összevetjük. A mérés megvalósítása

6

A berendezés egy szabályozható módon fűthető kemencéből és ebben elhelyezve a mintatartóból áll. A mintatartó tömegét egy pontos, elektromos mérleggel mérjük. A kemencét felfűtve a mérendő mintában lejátszódnak az előbbiekben említett fizikai és kémiai folyamatok melyek megváltoztatják a minta tömegét. Ábrázolva a minta tömegét a kemence vagy ami ezzel megegyezik az inert anyag hőmérsékletének függvényében megkapjuk a termogravimetriás vagy TG görbét. A görbén látható pozitív irányú elmozdulás, ahol a mintatartó tömege nagyobb olyan folyamatra utalnak, ahol a mintában valamilyen gáznemű anyag kötődik meg a környezetből. A gyakoribb csökkenő irányból arra következtetünk, hogy a mintánkból gáznemű anyag távozik el a környezetbe. Ha a minta mérésére használt mérleghez egy elmozdulással arányos jelet adó berendezést illesztünk például egy nagy menetszámú tekercset, melyben a mérleg karjához rögzített állandó mágnes mozdulhat el. Így a mérlegkar elmozdulásának sebességével arányos elektromos jelet kaphatunk a tekercs kimenetén. Ezt az elektromos feszültséget ábrázolva a hőmérséklet függvényében megkapjuk a differenciál termogravimetriás vagy DTG görbét. A DTG görbe a TG görbe differenciálhányadosa lesz. Alakja a tömegváltozás sebességével arányos csúcsokból fog állni, melyek könnyebben értékelhetők mint a TG görbe lépcsői, mivel nem egymásra épült lépcsőkből állnak hanem egymástól jól elkülönülő csúcsokból egy határozott alapvonalon. A módszer használata az talajvizsgálatokban A talajban található fizikailag és kémiailag kötött víz a talajból a kötés erősségének függvényében különböző hőmérsékleteken, és különböző sebességgel távozik. Ezt jól követhetjük a hőmérséklet függvényében a DTA görbén. Különböző sebességű felfűtést alkalmazza a száradási folyamat kinetikájára is következtethetünk. A talajban található szerves komponensek a levegőn történő hevítés hatására elégnek, miközben hő fejlődik. A szerves anyag égésekor a keletkezett termékek széndioxid és vízgőz formájában távoznak a mintából, az ekkor bekövetkező tömegváltozást lehet követni a DTG módszerrel. Az égés kezdő hőmérséklete a szerves anyagok gyulladási, bomlási hőmérsékletétől függ. Így a mért görbéből következtetni lehet a szerves anyagok típusára, illetve ennek megváltozására a különböző kezelések hatására.

1.2. A talaj nedvességállapotának vizsgálata 1.2.1. Elektromos kapacitás vizsgálat A módszer elve A talajt alkotó komponensek közül a víznek legnagyobb a dielektromos állandója, körülbelül egy nagyságrenddel nagyobb a többi alkotórészénél. Ez azt jelenti, hogy elektromos teret kapcsolva az anyagra a víz csökkenti legnagyobb mértékben a teret. A jelenség azzal magyarázható, hogy az erősen poláros vízmolekulák az elektromos térrel ellenkező irányban állnak be, és ezzel gyengítik a teret. Ha megmérjük a talaj dielektromos állandóját, azzal közelítőleg meghatározhatjuk a talaj víztartalmát. A módszer megvalósítása A dielektromos állandó mérésére a legkézenfekvőbb módszer a kondenzátor kapacitásának mérése, mivel egy adott geometriával elkészített kondenzátor kapacitása arányos a lemezek között elhelyezkedő anyag dielektromos állandójával. A mérőcella két adott méretű fémlemezből áll, amelyek egymástól adott távolságban helyezkednek el. A 7

két lemez közé helyezzük a mérendő mintát. A kondenzátort egy elektromos rezgőkörbe kötjük és mérjük a rezgőkör sajátfrekvenciáját, amiből a kapacitás számítható. A módszer használata az talajvizsgálatokban A kapacitásmérés gyors és roncsolásmentes talajnedvesség mérést tesz lehetővé. A berendezés hordozható kivitelben is készülhet, így helyszíni talajvizsgálatokra is alkalmassá tehető. Hátránya a módszernek, hogy a talaj többi alkotórésze is befolyásolja a talaj dielektromos állandóját, így nem várhatunk tőle nagyon pontos mérést, azonban gyorsasága és veszélytelensége miatt széleskörben alkalmazott módszer. Pontos nedvességtartalom meghatározáshoz azonban kalibrálni kell a készüléket az adott talajra. A nedvességtartalom változásának meghatározására azonban kiválóan alkalmas. 1.2.2. Neutronszóródás vizsgálat A módszer elve A gyors neutronok a kis atomtömegű magokkal ütközve elveszítik energiájukat és átalakulnak a környezet hőmozgásának sebességével mozgó, azaz termikus neutronokká. Ez az energiavesztés leginkább a protonokkal történő ütközés során következik be, mivel az azonos tömeg miatt a rugalmas ütközés során a gyors neutron kicseréli mozgási energiáját a termikus sebességgel mozgó protonnal. A talaj alkotórészei közül a víz tartalmaz a legnagyobb mennyiségben protonokat, így a neutronok lelassulásával mérhetjük a talaj nedvességtartalmát. A módszer megvalósítása A talajban egy gyors neutronforrást helyezünk, és mellé egy termikus neutronokra érzékeny detektort teszünk. A sugárforrásból kilépő gyors neutronok a talajnedvesség vízmolekuláinak protonjaival ütközve elveszítik energiájukat és termikus neutronként a detektorhoz jutnak. A detektort úgy kell megválasztani, hogy a lassú neutronokra legyen leginkább érzékeny. Így megszámlálva a detektorra jutó neutronokat, megkaphatjuk az ezekkel arányos nedvességtartalmat. A módszer használata az talajvizsgálatokban A talajnedvesség vizsgálatában jól alkalmazható a módszer, akár helyszíni vizsgálatokra is. Jelentős hátránya, hogy radioaktív sugárzása miatt különös elővigyázatosságot kíván a sugárforrással végzett munka. Pontosabb mérésekhez a berendezést kalibrálni kell a vizsgált talajon, mivel a neutronok lassításában a talaj többi alkotórésze is részt vehet.

1.3. A teljes talajok roncsolásmentes kémiai vizsgálata 1.3.1. Mágneses rezonanciavizsgálatok A módszer elve A részecskék spinje a külső mágneses térhez viszonyítva két kvantumállapotot vehet fel: vagy megegyezik a spinmomentum a mágneses tér irányával, vagy azzal ellentétes irányba áll be. A két állapot közötti energiakülönbséget nagy mágneses terek esetében egy mikrohullámú foton elnyelése biztosíthatja. Szabad részecskék esetében ez az érték csak a részecske anyagi minőségétől és a mágneses tér nagyságától függ. 8

Molekulába, oldatba vagy kristályrácsba ágyazott részecske esetében a külső mágneses tér az elektronfelhőt polarizálja, így a spínátfordulásra alkalmas részecske csak a polarizáció által gyengített mágneses teret érzékeli. Ez a módosító hatás a mérés során úgy jelentkezik, hogy a különbözőképpen árnyékolt részecskék különböző frekvenciájú fotonokat nyelnek el, illetve az adott frekvenciájú fotont különböző külső mágneses térnél abszorbeálják. A módszer megvalósítása A vizsgálat úgy történhet, hogy adott mágneses térnél változtatjuk a mikrohullámú adó frekvenciáját és mérjük a mintán átmenő sugárzás intenzitását. Ebben az esetben hangolható mikrohullámú forrásra van szükségünk, aminek megvalósítása nem könnyű feladat. Megoldható a probléma úgy is, hogy állandó frekvenciájú sugárforrást alkalmazunk és a mágneses teret változtatjuk a mérés során. Itt az elektromágnes igen nagy gerjesztőáramának pontos változtatása és a vasmag nem lineáris mágneses tulajdonságainak kiküszöbölése okoz problémát. Állandó mágnesezés és adott hullámhosszú mikrohullám esetében úgy járhatunk el, hogy a mikrohullámú sugárforrás amplitudóját moduláljuk, például ki-be kapcsolgatjuk. Az így kiszélesedő hullámsávot használhatjuk az elnyelési frekvencia meghatározására. A módszer használata analitikában Mindkét eljárás roncsolásmentes elemzést tesz lehetővé. Elméletileg nem szükséges bonyolult minta-előkészítés, a gyakorlatban azonban gyakran alkalmazni kell mivel a talajban nagy mennyiségben levő és vizsgálni nem kívánt anyagok jele elfedheti a mérendő anyagunk csúcsait. A mérés során az elnyelt mikrohullám frekvenciája jellemző az adott funkciós csoportra illetve a kémiai kötés típusára. Erre a célra ismert kalibráló anyagokat, vagy ezek felhasználásával készült könyvtárat használhatunk. Egy molekulához általában több elnyelési csúcs tartozik a benne található különböző molekularészletek miatt, melyek közeli elnyelési csúcsokat adnak vagy részben fedhetik egymást. Az elnyelés mértékéből az adott állapotú atom mennyiségére következtethetünk. Ehhez ismert koncentrációjú kalibrációs anyagokat használhatunk. A gyors mérés és az hogy a mérés során a mért atomok elektronhéjában semminemű változás nem történik lehetővé teszi, hogy vizsgáljuk a lejátszódó folyamatok kinetikáját is. Ezt úgy végezhetjük, hogy egymásután több spektrumot felveszünk, és ismerve a mérések között eltelt időt kiszámíthatjuk a reakciók irányát és ezek sebességét. Mágneses magrezonancia, NMR Páratlan nukleonszámú atommagok vizsgálatára alkalmas, ezek lehetnek a talajban található H1, C13, N15, P31 izotópok. A szén, nitrogén és hidrogénizotópok gyakorlatilag a talaj szerves anyagának vizsgálatára használatosak. Így megállapítható a humuszmolekulák funkciós csoportjainak típusa és azok mennyisége. A nitrogén és foszforizotóp felhasználásával vizsgálhatjuk az adszorbeált és szervetlen kötésben található formákat is. A hidrogén rezonancia jól használható a szénhidrogén váz a nitrogén- és oxigéntartalmú funkciós csoportok elemzésére. Hátránya, hogy víz a nagy hidrogéntartalma miatt nem használható oldószerként, illetve talajnedvesség formájában is zavar. Ezt kiküszöbölhetjük nehézvíz használatával, ami párosított magspínje miatt nem zavarja a mérést, viszont igen drága.

9

Szénizotóp használatával hasonlóképpen mérhetjük a szerves alapvázat és funkciós csoportokat. A nitrogénizotóp mérésével nyomon követhetjük a talaj-növény rendszer nitrogénforgalmát, bár erre más spektroszkópiás módszerek is rendelkezésre állnak. Az NMR vizsgálat itt elsősorban a nitrogén molekulán belüli kötésének vizsgálatára alkalmas. Foszforizotópokkal is elsősorban a szerves foszforformák vizsgálhatók, azonban a szervetlen pl. foszfát csoport koordinációjában bekövetkező változások is nyomon követhetőek. Elektronspín rezonancia, ESR Páratlan elektront tartalmazó rendszerek vizsgálatára alkalmas. Ilyenek lehetnek a szabad szerves gyökök, paramágneses molekulák és néhány mellékcsoportbeli fémion pl. Fe, Mn, Cu. A talajtani vizsgálatoknál eddig elsősorban a szabad szerves gyökök meghatározására használták. Ezek koncentrációjának változását mérték különböző talajművelési körülmények és redoxviszonyok között. Ugyancsak észleltek változást a humifikálódás foka és az ESR-rel mérhető anyagok koncentrációja között. 1.3.2. Röntgen fluoreszcenszia vizsgálatok A módszer elve Rövid hullámhosszú, így nagyenergiájú röntgen fotonokkal bombázva az atomot ennek egy belső elektronhéján levő elektront el tudunk távolítani. Az így ionizált atom egy nagyobb energiaállapotú elektronja elfoglalja az eltávolított elektron helyét, miközben az illető atomra jellemző hullámhosszú röntgensugárzást bocsát ki. Ezeket a kibocsátott röntgensugarakat detektálva, a sugárzás erősségéből következtetni lehet az adott atom koncentrációjára. A módszer megvalósítása A röntgensugárforrásból kilépő sugarakat a mintán átvezetjük majd a keletkezett másodlagos röntgensugárzás hullámhossz szerinti eloszlását vizsgáljuk. Erre két lehetőség is rendelkezésünkre áll. Egyik megoldás szerint a keletkező röntgensugárzást egy diffrakciós kristályra vezetjük, ahol az a hullámhosszának megfelelő szögben eltérül. Az eltérített sugarak energiáját a szög függvényében vizsgálva megkapjuk az adott elem hullámhosszának megfelelő szögben a sugárzás intenzitását, amely arányos az elem mennyiségével. Másik megoldás szerint alkalmazhatunk olyan detektort, amellyel a röntgenkvantumok energiájának függvényében mérhetjük a becsapódó kvantumok számát, vagyis az intenzitást. Mindkét esetben egy hullámhossz-intenzitás függvényt kapunk, amelyen az adott elemeknek megfelelő hullámhosszon az intenzitásban csúcs látható. Ezen csúcsok alatti terület lesz arányos az adott elem mintában található mennyiségével. A minta tömegének ismeretében az elemek koncentrációja számolható. A módszer használata az talajvizsgálatokban A röntgen fluoreszencia módszerrel az atomok belső, lezárt héjain elhelyezkedő elektronok állapotát vizsgálhatjuk, így a külső elektronhéjakon történő változások nem befolyásolják méréseink eredményét. Ebből következik, hogy nem szükséges az atomokat a mérésnek megfelelő kémiai állapotba hoznunk, tehát nem igényel mintaelőkészítést. Az elemtartartalom meghatározása elvégezhető a teljes talajminta kis

10

mennyiségének mérésével, ami könnyen és gyorsan elvégezhető. Ez a módszer legnagyobb előnye. A mérés egyik hátránya, hogy kis rendszámú elemek mérésére, ezen elemek kis energiájú belső elektronjai miatt nem alkalmas. Általában az első és második periódus elemei nem mérhetők ilyen módon. A másik gond a mérés során éppen a fent említett előnnyel kapcsolatos, ugyanis a teljes talajminta elemanalízisére a talajvizsgálatok során ritkán van szükségünk. A talajokban lezajló folyamatok leírására és a talaj jellemzésére leginkább a valamilyen oldószerben oldható elemek koncentrációjának ismeretére van szükség, ami esetleg nagyságrendekkel kisebb lehet a talaj teljes elemkoncentrációjánál. Az oldott elemek vizsgálatára viszont más, pontosabb és érzékenyebb módszerek is rendelkezésre állnak.

11

2. A talaj folyadékfázisának illetve talajkivonatok vizsgálatára alkalmas mérési módszerek 2.1. Elektrokémiai vizsgálati módszerek 2.1.1. Konduktometria A módszer elve Elektrolit oldatok a bennük oldott anyagok mennyiségének és minőségének függvényében vezetik az elektromos áramot. A vezetőképesség ismeretében megbecsülhetjük a talaj só illetve víztartalmát. A módszer megvalósítása A vezetőképesség vizsgálatokhoz az oldatba vagy a szuszpenzióba adott távolságra két azonos méretű elektródot merítünk amelynek anyaga az áram áthaladása közben nem változik, leggyakrabban erre a célra platina vagy nikkel elektródokat használunk. Az elektródokra közepes frekvenciájú váltakozó feszültséget kapcsolunk, annak érdekében, hogy az elektródok felületén lezajló elektrolízis ne változtassa meg az oldat összetételét a mérés során. Amilyen elektrolítikus folyamat lejátszódik az egyik irányú áram hatására, annak éppen az ellenkezője történik a másik áramiránynál. Közben mérjük az elektródok között áthaladó áram nagyságát érzékeny ampermérővel vagy Wheatstone híd alkalmazásával. A vezetőképességet Ohm törvénye alapján számoljuk. A módszer használata az talajvizsgálatokban Talajok sótartalmának meghatározására ismert nedvességállapotú talajmintát helyezünk az elektródok közé. A mért vezetőképességből előzetes kalibráció alapján becsüljük a talajoldat sótartalmát. A módszer előnye a gyors és egyszerű meghatározás, hátránya, hogy a só minőségétől és a talaj fizikai féleségétől is függ a vezetőképesség, így nem tekinthető tetszőleges talajokra pontos mérési módszernek. Egy adott talaj esetében előzetes kalibráció után használhatjuk a módszert a talaj nedvességtartalmának mérésére is. Ugyanis a vezetőképesség az oldat koncentrációjától függ, nem pedig a sótartalmától, adott sótartalomnál a víztartalom változása megváltoztatja a talajoldat koncentrációját. Az alkalmazás előnyeként itt is a gyors és egyszerű mérést tekinthetjük, hátránya, hogy a kapott kalibrációs görbe nem lineáris és talajonként erősen változik. 2.1.2. Potenciometria A módszer elve Az oldatokban levő ionok a nekik megfelelő elektródokkal érintkezve az aktivitástól függő elektródpotenciált alakítanak ki a Nerst képlet értelmében. Néhány fémionok esetében az ionoknak megfelelő elektród igen egyszerű, mivel elég az adott fémet az oldatba meríteni. Más esetekben közvetett ionszelektív elektródokat alkalmazunk, melyek működési elve azon alapul, hogy két különböző koncentrációjú oldat között potenciálkülönbség alakul ki, az úgynevezett koncentrációs elem. Az elektródpotenciál közvetlen mérésére nincs lehetőségünk, a méréshez szükségünk van az oldatba merülő referencia elektródra, melynek potenciálja független az oldatban található anyagok koncentrációjától. A módszer megvalósítása

12

A mérendő oldatba vagy szuszpenzióba belemerítjük az ionszelektív elektródot és a referencia elektródot majd igen nagy ellenállású feszültségmérővel mérjük az elektródok között kialakuló potenciálkülönbséget. A mért feszültség arányos lesz az oldatban levő ionok aktivitásának logaritmusával. A mérés előtt az elektródokat magfelelő módon elő kell készíteni és ismert oldatokkal kalibrálni kell. Előnye a módszernek, hogy egyszerre és az oldat változtatása nélkül mérhetünk több iont. Hátránya viszont, hogy nem tudunk tökéletes szelektivitású elektródokat készíteni, így az ionok által okozott potenciálváltozások egymástól nehezen szétválaszthatók. A módszer használata az tah`jvizsgálatokban Talajvizsgálatokban a leggyakrabban alkalmazott potenciometrikus mérés a pH mérése, ahol hidrogénion szelektív elektródot alkalmazunk, általában egy ezüst/ezüstklorid referencia elektróddal egybeépítve. Az elektródon mért feszültség a hidrogénion koncentrációjának logaritmusával, tehát a pH-val arányos. A legtöbb tápelem és szennyezőelem aktivitását mérhetjük ionszelektív elektródokkal. A módszer nagy előnye, hogy ezzel az anyagok oldatában az aktivitást mérhetjük, szemben a legtöbb használatos módszerrel, ahol csak a koncentrációt tudjuk meghatározni. Ez a talajban lezajló kémiai egyensúlyok és folyamatok pontos leírásához nélkülözhetetlen. A talaj és a talajalkotórészek felületi reakcióiról sok információt kaphatunk a potenciometrikus titrálással, ahol ismert mennyiségű anyagot adagolva az oldathoz mérjük az oldatfázis koncentrációját, és ebből számolhatjuk a szilárd fázis felületén vagy belsejében megkötött anyag mennyiségét. A módszerrel mérhetjük a talajok sav-bázis és tápanyag pufferkapacitását is. 2.1.3. Redoxvizsgálatok A módszer elve A redox potenciál meghatározásának elve tulajdonképpen megegyezik a potenciometriánál leírtakkal, azzal a különbséggel, hogy ebben az esetben nem egy ion koncentrációját érzékeljük a meghatározott szelektív elektród segítségével. Itt egy platina elektródot alkalmazunk érzékelő elektródként, amelynek felületén az oldat redox potenciáljának függvényében elektromos töltés keletkezik. A töltés hatását észleljük mint a platina elektród potenciálját. Az oldat redox potenciálja az összes oldatban jelen levő változó vegyértékű atom, vagy elektronfelvételre és leadásra képes molekula koncentráció viszonyaitól függ. Egy adott oldatban, bár sok komponens hozza létre, a redoxpotenciál egy meghatározott értéket vesz fel, mivel a redukált és az oxidált formák egymásra hatásával beáll egy dinamikus egyensúly. Jól jellemezhető az oldat redox állapota a redoxpotenciállal, illetve egy feltételezett elektronkoncentrációval ami a redoxpotenciálból számolható. Az elektronkoncentráció negatív logaritmusát is használjuk a redox állapot jellemzésére a pH analógiájára, ez a pE érték. A módszer megvalósítása A berendezés a potenciometriánál megismert módon állítjuk össze, mérőelektródként mindig platina elektródot használunk, referencia elektródként ezüst/ezüst-klorid vagy kalomel elektródot alkalmazunk. A módszer használata az talajvizsgálatokban A talajban folyamatosan zajlanak oxidáló és redukáló folyamatok. Az oxidációt elsősorban a levegő oxigénje okozza, redukció elsősorban az oxigént fogyasztó élő szervezeteke hatására következik be. A talaj redoxállapotának tájékoztat a talajélet dinamikájáról, a talaj átlevegőzöttségéről. Egyes változó vegyértékű átmeneti fémek 13

oldhatósága erősen függ az oxidációs állapotuktól, így reduktív közegben koncentrációjuk elérheti a növények számára már toxikus értéket is. Ennek becslésére is alkalmazható a redoxvizsgálat. Redox titrálással meghatározható a talaj redox puffer képessége, ami alapján megállapíthatjuk, hogy a talaj átmeneti levegőhiány esetében menyire áll ellent a redukáló hatásoknak. 2.2. Kromatográfiás módszerek A kromatográfiás módszerek azon alapulnak, hogy létezik egy mozgó gáz, vagy folyadék fázis és egy nyugvó általában nagy felületű szilárd fázis. Az elrendezés geometriája szerint beszélhetünk rétegkromatográfiáról vagy oszlopkromatográfiáról. A leggyakrabban folyadékoknál alkalmazott rétegkromatográfia esetén a szilárd fázis egy vékony rétegben van elhelyezve és ezen réteg mentén mozog a folyadék. A gázok és folyadékok vizsgálatára egyaránt alkalmazott oszlopkromatográfiában a szilárd fázist egy csőben helyezzük el és ezen keresztül áramoltatjuk az anyagot. A mozgó fázisban található anyagok különféle erősséggel kötődnek a szilárd fázis felületén, ami egyben azt is jelenti, hogy különböző arányokban oszlanak meg a nyugvó és a mozgó fázison. Minél nagyobb arányban tartózkodik az anyag a nyugvó szilárd fázis felületén, annál jobban csökken az átlagos áramlási sebessége, annál inkább lemarad a mozgó fázis többi komponenséhez képest. Az áramlás közben tehát a mozgó fázist alkotó komponensek egymástól elkülönülnek. A szétválás természetesen csak akkor következik be a leírt módon, ha a folyadékfázisban található anyagok reverzibilis módon kötődnek meg a szilárd felületen, ellenkező esetben telítik az adszorbens beáramláshoz közeli részét és nem mozognak többé. Ezt a szétválást két módszerrel tudjuk megfigyelni. Elsősorban rétegkromatográfiánál alkalmazott eljárás, hogy az áramlást megszakítjuk és valamilyen eljárással megfestjük a különböző komponenseket, ekkor a szétvált anyag, esetleg különböző színű, foltjai láthatók a rétegen. Innen ered a módszer elnevezése is. A másik, elsősorban az oszlopkromatográfiánál alkalmazott megoldás, hogy folyamatos áramlás mellett folyamatosan regisztráljuk a kifolyó oldat vagy kiáramló gáz valamilyen, a vizsgálandó anyagunkra jellemző tulajdonságát. A kromatográfiás görbét megkaphatjuk, ha a detektor jelét ábrázoljuk az idő függvényében, egy egyenletes sebességgel mozgó papír, vagy számítógép segítségével. Ha az áramlás egyenletes, amire egyébként a kromatográfiás vizsgálatoknál törekszünk a jó elválasztás érdekében, akkor az idő függvényében felvett jelet az áramlási sebesség ismeretében könnyen átszámíthatjuk a kifolyt folyadék vagy a kiáramlott gáz térfogatának függvényébe. A kapott kromatográfiás görbén található csúcsok alatti terület mutatja a mért anyag koncentrációját, a csúcsok elhelyezkedése alapján következtethetünk az anyagi minőségére. 2.2.1. Ionkromatográfia A módszer elve Az elválasztás azon alapul, hogy különböző ionok a töltésüktől és méretüktől függően különböző mértékben kötődnek meg ellentétes töltésű szilárd anyag felszínén. Az erősebben adszorbeálódó anyag a gyengébben kötődőt leszoríthatja a szilárd fázisról, kicserélheti a felületen. A leggyengébben kötődő kis töltésű, nagy méretű ionok érkeznek

14

meg az oszlop végére legkorábban míg a nagy töltésű és kis méretű erősen adszorbeálódó ionok haladnak át leglassabban az oszlopon. A módszer megvalósítása Szilárd fázisként ebben az esetben valamilyen ioncserélő anyaggal töltött oszlopot használunk. Kationok vizsgálatára negatív felületi töltésű anyagot például karboxil csoportokat tartalmazó műgyantákat, vagy negatív felületi töltésű szilikátokat alkalmazunk. Anionok elválasztására pozitív felületi töltésű anyagokat használunk például tercier vagy kvaterner amin csoportokat tartalmazó műgyantákat. Folyadék fázisként híg vizes oldatokat alkalmazunk, az ioncsere által okozott pH változások elkerülése érdekében általában pufferoldatokat. Ebbe a folyamatosan áramló pufferoldatba fecskendezzük a mérendő oldatunkat. Az oszlop végén kifolyó oldatot leggyakrabban vezetőképességi detektoron áramoltatjuk át, ez a konduktometriás vizsgálatoknál leírt elven működő berendezés kis felületű elektródokkal és kis oldatmennyiséget befogadó átfolyós mérőcellával. De alkalmazhatunk detektálásra bármely más anyagvizsgálati módszert, mellyel folyamatos beáramlás mellett folyamatos, a koncentrációval arányos elektromos jelet kaphatunk. Így például alkalmazhatunk detektorként lángfotométert, atomabszorpciós fotométert, emissziós fotométereket, színes vagy színes vegyületbe vihető ionoknál spektrofotométert. A módszer használata az talajvizsgálatokban Széles körben alkalmazott módszer a talaj és a talajvizek iontartalmának meghatározására. A legjobban használható módszer a különböző oxidációs állapotban előforduló elemek illetve a különböző atomarányokat tartalmazó összetett ionok elválasztására, egymás mellett érzékelésére. 2.2.2. Nagynyomású folyadékkromatográfia A módszer elve A szilárd fázis főleg nemionos anyagokat megkötő adszorbenssel megtöltött kis átmérőjű oszlop. Az adszorbens kemény hordozóanyagra pl. alumínium-oxid, szilíciumoxid, van felhordva annak érdekében, hogy a nagy nyomással átáramló folyadék ne okozzon mechanikai változást a töltet anyagában. A nagy nyomás alkalmazásának az előnye az, hogy a nagy felületű töltet szűk pórusain is át lehessen préselni a folyadékot viszonylag nagy sebességgel. Így nagy hatékonyságú elválasztást lehet elérni viszonylag rövid oszlopokkal és kis mintamennyiségekkel. Ha poláros anyagokat akarunk apoláris oldószerből kimutatni, akkor poláros felületű töltetet alkalmazunk, hogy a mérendő anyagunk jobban kötődjön a felületen, mint az oldószer. Ha apoláris anyagokat akarunk poláros oldószerből kimutatni, akkor apoláris felületű úgynevezett reverz töltetet használunk. A módszer megvalósítása Nagy 10-100 bar nyomással préseljük át az oldószert az elválasztó oszlopon. Az oszlop kifolyó oldalát összekötjük a detektorral. Detektorként leggyakrabban ultraibolya és látható detektort alkalmazunk. A szerves anyagok nagy többsége ugyanis az ultraibolya tartományban erősen nyeli el a fényt. De az előzőekhez hasonlóan itt is alkalmazhatjuk a detektorok széles skáláját, a megoldandó feladattól függően. A módszer használata az talajvizsgálatokban

15

A nagynyomású folyadékkromatográfia kiválóan használható a talajban található kis molekulájú szerves vegyületek szétválasztására és mérésére. Így mérhetőek vele a cukrok, fehérjék, egyéb organikus eredetű anyagok, de leginkább növényvédő szerek és ezek maradványainak kimutatására alkalmazzuk. Használhatunk méréseinkhez talajjal töltött oszlopokat, amelyek segítségével mérhetjük a talaj és a különböző talajban előforduló anyagok közötti kölcsönhatás mértékét. Ezen a módon modellezhetjük a természetben lejátszódó kimosódási folyamatokat. 2.2.3. Gélkromatográfia A módszer elve Ha különböző molekulaméretű anyagok oldatát vezetjük el egy olyan anyag felülete mellett amelynek pórusai összemérhetőek a molekulák méretével, akkor azok a molekulák képesek bediffundálni a szilárd anyag réseibe. Ezzel elérhetjük azt a hatást, amely a kromatográfiák általános jellemzésében található, vagyis az egyik anyag többet tartózkodik a szilárd fázisban mint a többi. Ezzel a módszerrel elválaszthatunk egymástól kémiailag hasonló tulajdonságú, egymástól csak a molekulatömegben különböző anyagokat. Az oszlop kimenetén a szilárd fázisba be nem jutó tehát nagyobb molekulatömegű anyag jelenik meg először, ezt követi a kisebb molekulatömegű anyag, amelyik képes bediffundálni a mozdulatlan fázisba. A módszer megvalósítása Nyugvó fázisként ennél az eljárásnál általában géleket használunk. A gélek szerkezete olyan, hogy egy szilárd váz belsejét az oldószer folyadék fázisa tölti ki. A szilárd vázat alkotó polimerek molekulaméretének alkalmas megválasztásával közel egyenletes pórusokat alakíthatunk ki a gél belsejében. Mivel a gél szilárdsága sokkal kisebb a HPLC-nél alkalmazott töltetek szilárdságánál, itt nagy nyomás alkalmazása szóba sem jöhet. Leggyakrabban a gravitáció az áramlás hajtóereje, azonban használhatunk pumpát is. Detektorként az oszlop végén legtöbbször a mérendő anyag abszorpciós hullámhosszára beállított ultraibolya vagy látható fotométert alkalmazunk. A módszer használata az talajvizsgálatokban A talajok szerves anyagának a humusznak vizsgálatára használjuk legtöbbször a gélkromatográfiát. A nem egységes összetételű humuszmolekulák egyik fontos ismertetőjegye a molekulaméret. Megfelelő gél alkalmazásával elválaszthatjuk egymástól a humin és fulvosavakat, és mérhetjük ezek mennyiségét és egymáshoz képesti arányát. 2.2.4. Gázkromatográfia A módszer elve A gázkromatográfia a gázok és gőzök adszorpcióján alapul a kromatográfia bevezetésében tárgyaltak szerint. A módszer megvalósítása Egyenletes sebességgel vivőgázt áramoltatunk keresztül az oszlopon melybe beinjektáljuk a mérendő gázunkat, vagy a mérendő anyagunk gőzét. Az oszlop töltete állhat finom szemcséjű szilárd anyagból vagy kapillárisokból, lényeg a nagy felület. Az oszlopból kiáramló gáz detektálására több megoldást alkalmazhatunk. Például használhatunk hővezető-képességi detektort, ennek működése azon alapszik, hogy a kis móltömegű vivőgáz, elsősorban hidrogén hővezető-képessége sokkal nagyobb, mint a benne elkeveredett nagyobb móltömegű gázoké. Használhatunk lángionizációs detektort,

16

ami azt használja ki, hogy a különböző összetételű gázok égésénél különböző mennyiségű ion keletkezik. Használhatunk detektor gyanánt tömegspektrométert, ami a gázok molekulatömege szerint elemzi a kiáramló anyagot (GCMS). Használhatunk detektorként infravörös spektrométert, ami a molekulák eltérő atomrezgései alapján elemzi a gázt (GCIR). A módszer használata az talajvizsgálatokban A gázkromatográfia kiválóan alkalmas a talaj gázfázisának elemzésére, ezt más módszerekkel csak igen körülményesen tudnánk megvalósítani. Használható továbbá olyan szerves anyagok, kismolekulájú organikus termékek, növényvédő szerek meghatározására, melyek viszonylag könnyen elpárologtathatók, gáz halmazállapotba hozhatók. A módszer nagy érzékenysége miatt nem feltétlenül szükséges az összes talajban levő anyagot elpárologtatni, elég ha viszonylag kis egyensúlyi gőznyomásnak megfelelő része található a gázfázisban.

17

3. A talaj szilárd fázisának vizsgálatára alkalmas módszerek 3.1. A talaj szilárd fázisának fizikai vizsgálata 3.1.1. Részecskeméret elemzés A módszer elve A részecskeméret analízis többféle elven megvalósítható. Legegyszerűbb és ezért legrégebben használt megoldás az ülepítés. Ebben az esetben a folyadékfázis és a szilárd részecskék közötti sűrűségkülönbségből adódó gravitációs erő igyekszik szétválasztani a komponenseket. A Stokes törvény értelmében adott anyagi minőségű részecskék esetében az ülepedés sebessége a részecskesugárral arányos. Tehát az ülepedési sebességet mérve megtudhatjuk a részecske méretét. Ennek a módszernek a hátránya, hogy tized milliméternél kisebb részecskék igen lassan ülepednek, sőt ebben a mérettartományban a Brown féle mozgás erősen rontja a mérés megbízhatóságát. Ennek kiküszöbölésére vezették be a centrifugás megoldást, ahol a gravitációs erőt az ülepítés során az ennél sokkal nagyobb értékeket is elérő centrifugális erővel helyettesítették. Ezzel a módszerrel már a kolloid mérettertományig lehet részecskeméretet meghatározni. Viszonylag széles tartományban alkalmazható a részecskeméret meghatározására a Coulter elv, ami azon alapul, hogy a két folyadékkal töltött edényt összekötő szűk nyíláson keresztül adott feszültség hatására átfolyó áram arányos a nyílás méretével. Ha egyenként átszivattyúzzuk a részecskéket ezen a nyíláson, akkor méretükkel arányos áramcsökkenést okoznak. A fény hullámhosszánál nem sokkal nagyobb részecskék mérésére alkalmas lehet a fényszóródás mérése is. Ekkor ugyanis a fény a részecskéken elhajlik, mégpedig minél jobban hasonlít a részecskeméret a fény hullámhosszához annál erősebben. Az elhajlás mértéke alapján a részecskeméretet kiszámíthatjuk. Ez a módszer elsősorban az apró részecskék vizsgálatára alkalmas. Az alkalmazott fény hullámhosszánál jóval nagyobb részecskék esetében alkalmazhatjuk a képanalízist. Ebben az esetben a mintáról készült képet elemezzük, általában digitális módszerrel. A módszer megvalósítása Az ülepítést egyszerűen egy hengerben elvégezhetjük. Az ülepedés sebességének mérésére több módszert is használhatunk. Így adott időközönként mintát vehetünk a szuszpenzióból és mérhetjük annak szilárd anyag tartalmát. Mérhetjük adott mélységben a szuszpenzió sűrűségét az idő függvényében. Elhelyezhetünk egy mérlegtányért az edény alján és mérhetjük a ráülepedett szilárd anyag súlyát az idő függvényében. A centrifugális módszerhez általában több tízezer percenkénti fordulatszámú ultracentrifugát használunk. Az ülepedés sebességét legtöbbször a forgó küvettán átvilágító fény elnyeléséből számítjuk ki. A Coulter elven történő részecskeméret analízishez nagyon híg szuszpenziót készítünk majd ezt szivattyúzzuk át egy résen. A résen átfolyó áramba mérhető ingadozásokat egy számítógép számlálja és a mérés végén megadja a részecskeméret eloszlást.

18

A fényszóródás elvén működő analizátorok monokromatikus, általában lézer fényt bocsátanak át a szuszpenzión. Majd az eltérítés szögének függvényében mérik a fény erősségét. A különböző szögben eltérített sugarak intenzitása jellemző lesz az adott szögben eltérítő, tehát a megfelelő méretű részecske koncentrációjára. A képanalízis esetében egy mikroszkóp segítségével felnagyítjuk a részecskék képét, majd egy kamera segítségével elektromos impulzussorozattá alakítjuk, az elektromos impulzusokat digitalizáljuk majd egy számítógép memóriájában tároljuk. A memóriában tárolt képen a folyadék és szilárd részek különböző színben vagy árnyalatban jelennek meg. Matematikai módszerekkel megszámlálhatjuk a részecskéket és meghatározhatjuk az átlagos átmérőjüket. A módszer használata az talajvizsgálatokban A talaj részecskeméret eloszlása a talaj számos tulajdonságát alapvetően meghatározza. Ezért fontos a fent felsorolt módszerek alkalmazása. Meg kell jegyezni, hogy az összes részecskeméret meghatározó módszer gömb alakú részecskék esetében működik tökéletesen. A talajban azonban túlsúlyban az anizotróp részecskék találhatók, például agyagásvány lemezek...A különböző eljárásokkal meghatározott részecskeméretek más-más eredményt adnak ilyen esetekben. Mivel az egyik módszer a részecske más vetületét látja mint a másik. Az áramlásos módszerek mint az ülepítés és Coulter számlálás a részecske legkisebb átmérőjét érzékelik mivel haladás közben a részecskék a legkisebb közegellenállású irányba állnak be. A képanalízis módszerével általában a részecske legnagyobb átmérőjét lehet meghatározni, mivel a tárgylemezre ülepedő szemcse a legnagyobb felületű oldalán ül meg stabilan. A fényszóródásos módszereknél gyakran előfordul, hogy ilyen anizotróp mintára kétcsúcsú részecskeméret eloszlási görbét kapunk, egyiket a vékonyabb a másikat a vastagabb átmérőnek megfelelő helyen. 3.1.2. Elektronmikroszkópos vizsgálatok A módszer elve A fény hullámhosszánál kisebb részecskék vagy részletek megfigyelésére fénymikroszkóppal nincs mód a diffrakciós jelenségek leképezést rontó hatása miatt. Rövidebb hullámhosszú, fókuszálható sugárzást kell alkalmazni. Erre a feladatra az elektronsugárzás a legalkalmasabb, nagy gyorsító feszültséget alkalmazva hullámhossza kicsi és elektrosztatikus vagy mágneses terekkel fókuszálható. Képalkotásra az elektronsugár kétféle módon használható. Egyik eljárás szerint a tárgyon áthaladó elektronokat használjuk képalkotásra (Transzmissziós Elektron Mikroszkóp, TEM). Másik módszer a felületről visszaverődő elktronsugarakat használja fel képalkotásra (Pásztázó Elektron Mikroszkóp, PEM). Az elektronmikroszkóp nagyenergiájú elektronsugara nem csak leképezésre használható, hanem gerjeszthető vele az atomok belső elektronhéja. A rugalmatlanul ütköző elektronok az atomok belső elektronjait kilökhetik helyükről vagy magasabb energia szintekre vihetik azokat, eközben meghatározott energiát veszítenek illetve az atomok alapállapotba visszatérésekor karakterisztikus röntgensugárzást bocsáthatnak ki magukból. Ez a sugárzás a röntgen fluoreszcenciánál említett módszerek egyikének használatával felhasználható elemanalízis céljára. Másik módja az anyagi minőség meghatározásának a rugalmatlanul ütköző elektronok energiájának mérése, ugyanis az elektronok energiavesztesége meg fog egyezni az atom gerjesztési energiájával.

19

A módszer megvalósítása A transzmissziós elektronmikroszkópiában nagy energiájú, így nagy sebességű és ebből következően kis hullámhosszú elektronnyalábot bocsátunk a néhány mikrométer vastag mintán keresztül. A mintán áthaladva az elektronok egy része a vastagságtól és az elnyelőképesség változásától függően elnyelődik. A továbbrepülő elektronok nyalábját olyan elektromos és mágneses tereken vezetjük át, melyek úgy viselkednek az elektronsugár eltérítése szempontjából mint optikában a lencsék. Megfelelő elektromos és mágneses lencserendszer segítségével a fénymikroszkóphoz hasonlóan az elektronnyalábot leképezzük egy fluoreszkáló ernyőre, ahol nagyított valódi képet kapunk. A képen látható világosabb területek jelzik a minta azon részeit, ahol az elektronok gyengén nyelődnek el, a sötétebb foltok a nagyobb elnyelőképességű részeknek megfelelő helyeken keletkeznek. A transzmissziós elektronmikroszkóp hátránya, hogy csak igen vékony, az elektronsugarakat többé-kevésbé átengedő minták vizsgálatára lehet használni, ezért igen precíz minta-előkészítést igényel. A mintákat lehet vékony szeletekre vágni, de ha a felületet akarjuk tanulmányozni lehetőség van a felületre felvitt vékony vezető réteg készítésére pl. grafit rágőzölögtetésével, majd a minta a vezető réteg alól kémiai módszerekkel történő kioldására. A pásztázó elektronmikroszkópiában egy igen vékony elektronnyalábot lövünk a minta felületére, majd a visszavert elektronokat egy detektor segítségével észleljük. Az elektronsugár becsapódási helyét általában a televízió képcsövével analóg módon, mágneses eltérítő-tekercsek segítségével a minta felületén mozgatjuk, a mintán pásztázunk vele. A visszavert elektronok számával arányos árammal egy katódsugárcső elktronnyalábját vezéreljük, amelyben az elektronsugár eltérítését a mintát letapogató sugárral szinkronban vezéreljük. Ebben az esetben a képernyőn a visszavert elektronok számával arányos világos és sötét foltokat találhatunk, a megfelelő helyen. A pásztázó elektronmikroszkóp nagyítását azzal érjük el, hogy a képernyő az eltérítését a mintavevővel arányosan megnöveljük, így a kisszögű leképező sugár eltérüléshez nagy képalkotó sugár eltérülés tartozik, vagyis szögnagyítást végzünk. Mindkét módszer esetén megfelelő műszerrel elvégezhetjük a mintán kijelölt terület elemanalízisét úgy, hogy a mintát tartalmazó csőben elektron energia detektort vagy esetleg a csövön kívül röntgen detektort helyezünk el. A röntgendetektor lehet hullámhossz szelektív érzékelő, vagy kristálydiffrakciós detektor. Az elektron energia detektorban az anód elé kapcsolt ellentér változtatásának segítségével felvehetjük a visszavert elektronok sebesség áram karakterisztikáját, melyben az adott elemeket az elnyelési energiájuknak megfelelő helyen létrejövő csúcsok alapján azonosíthatjuk. A módszer használata az talajvizsgálatokban A talaj apró szemcséinek, azok szerkezetének tanulmányozására alkalmas. Lehet használni a szemcsék felületi borításának, annak szerkezetének vizsgálatára. Képanalítikai módszerekkel részecskeméret eloszlás vizsgálatára is alkalmas apró szemcsék esetében. A szemmel kiválasztott részeken mikroanalízist végezhetünk, így azonosíthatjuk a kiválasztott kristály, vagy rész anyagi minőségét. Mivel az elektronmikroszkóp leképező elektronsugara csak nagyvákuumban használható, a módszer nem alkalmas könnyen illó anyagok így gázok, folyadékok vizsgálatára. A minta-előkészítés során különös gonddal kell a vizsgálandó anyagot tisztítani a légritka térben párolgó komponensektől. 3.1.3. Fajlagos felület meghatározás A módszer elve 20

Egy szilárd anyag fajlagos felületén a tömegegységre eső felület nagyságát értjük. Kolloid jelenségeknél ez meghatározóan fontos jellemzője az anyagnak. A fajlagos felület maghatározására leggyakrabban gázok vákuumbeli adszorpcióját használjuk, a BET izoterma alapján. A BET izoterma a gázok kapillár-kondenzációját is figyelembe vevő adszorpciós függvény. Lényege hogy az adszorpció egy telítési görbe jellegű kezdeti lefutás, vagyis a felület teljes telítődése után a gáz kondenzációja miatt a megkötött anyagmennyiség hirtelen növekedni kezd. A telítési szakasz és a kondenzációs szakasz egymáshoz képesti lefutásából megállapíthatjuk azt a pontot, ahol a teljes felületet beborítottnak tekinthetjük. Ismerve a teljes borításhoz szükséges gázmennyiséget és a gázmolekulák felületét, a minta teljes felületét kiszámíthatjuk. A módszer megvalósítása A méréshez legtöbbször a cseppfolyós nitrogén hőmérsékletén argon gázt használunk, ilyen körülmények között az argon jól adszorbeálódik minden típusú szilárd felületen. Két, egyforma edényből az egyikbe tesszük mintánkat a másik térfogatát az előzővel egyenlőnek állítjuk be. Erre a célra alkalmazhatunk héliumot, amely igen kis mértékben adszorbeálódik a talaj felületén. Az edényekben légritka teret hozunk létre, majd azonos sebességgel héliumot áramoltatunk az edényekbe és mérjük a nyomás változását. A referencia edény térfogatát addig változtatjuk, míg a nyomásváltozás megegyezik mindkét edényben, ez jelenti hogy azonos az edények térfogata. Ezután újabb vákuumozás után argon gázt vezetünk mindkét edénybe szintén azonos sebességgel és mérjük a nyomásváltozást. A mintát tartalmazó edényben a gáz nyomása kisebb lesz az adszorpció miatt. A nyomáskülönbségekből megszerkeszthetjük az adszorpciós izotermát, és ebből kiszámíthatjuk a felület nagyságát. A felület nagyságából és a bemért minta tömegéből a fajlagos felület számolható. A módszer használata az talajvizsgálatokban A talaj szilárd fázisának fajlagos felülete függ a talaj szervetlen és szerves anyagának kémiai összetételétől, a talaj típusától, fizikai féleségétől, szerkezetétől és a talajfelület pillanatnyi állapotától. A fajlagos felület mérésével következtethetünk az előbb felsorolt jellemzőkre. Fontosabb azonban, hogy a talaj legtöbb funkcióját felületi reakciók útján valósítja meg, ahol a felület nagysága meghatározó. Meg kell jegyezni, hogy a talaj fajlagos felülete becsülhető a részecskeméret eloszlásból, sokszor ezt a mérési eredményt használjuk a számításhoz. Ebben az esetben azonban csak a részecskék külső felületét látjuk, illetve számoljuk. A pórusokban és rétegek között létrejövő, esetleg ennél nagyobb mértékű, belső felületek meghatározásához csak a közvetlen mérés alkalmas. 3.2. A talaj szervetlen fázisának krisztallográfiai elemzése 3.2.1. Röntgen diffrakciós vizsgálatok A módszer elve A kristályos anyagokban a részecskék közötti állandó távolsággal összemérhető hullámhosszú sugárzással megvilágítva a kristályok optikai rácsként viselkednek és a rájuk eső sugarakat eltérítik így jön létre a diffrakció jelensége. Az eltérítés mértéke a sugárzás hullámhosszának és a kristálysíkok távolságának, rácsállandójának arányától függ. Ha monokromatikus sugárzást alkalmazunk, akkor a diffrakció során meghatározott szögeknél erősítik egymást a hullámok más szögeknél teljesen ki is oltódnak. Ha több különböző rácsállandójú kristály keverékére bocsátunk monokromatikus sugarakat akkor 21

több különböző szögben kapunk diffrakciós sugárerősítést amelyek szögéből a kristály rácsállandójára, intenzitásából pedig az adott kristály koncentrációjára következtethetünk. A közönséges kristályok rácsállandójával azonos nagyságrendbe eső hullámhosszú elektromágneses sugárzás a röntgensugár. A módszer megvalósítása Monokromatikus röntgensugárzás előállítására valamilyen fém karakterisztikus vonalát használjuk. Az adott fémből készült anódba nagy energiával becsapódó elektronok egy folytonos hullámhosszú sugárzást a fékezési röntgen sugárzást hoznak létre. Erre a 'fehér' sugárzásra épül rá a karakterisztikus sugárzás nagy intenzitású vonala, melyet a jobb jel/zaj viszony elérése érdekében ki is szűrhetünk a fékezési sugárzásból, és rávezetjük a mintára. A minta leggyakrabban a mérendő anyag porából áll, ahol a kristályok véletlenszerű irányokban helyezkednek el, ebből következik, hogy a minta után szóródó sugarak körkörös szimmetriát mutatnak. A minta mint tengely körül elforgatunk egy detektort, amely az intenzitással arányos elektromos elektromos jellé alakítja a röntgensugárzást. A detektor elektromos jelét a szög függvényében ábrázolva megkapjuk a röntgen diffraktogramot. A diffraktogramon az egyes csúcsok magassága az adott kristály mennyiségére jellemző, míg a csúcshoz tartozó szög a krisztálysíkok távolságától, vagyis az anyagi minőségtől függ. A módszer használata az talajvizsgálatokban A talajok ásványanyag összetételének meghatározásához leggyakrabban használt módszer a röntgendiffraktometria. A kémiai elemanalízis ugyanis a rendkívül sokféle módon felépülő szilikátvegyületek tényleges szerkezetéről nem tud túl sokat mondani, és a kristályszerkezet változása azonos vagy nagyon hasonló sztöchiometria összetétel mellett is nagymértékben különböző tulajdonságokat kölcsönöz az anyagnak. Ezzel a módszerrel tudjuk legkényelmesebben egymástól elkülöníteni a különböző agyagásványtípusokat, meg tudjuk mérni a mállás előrehaladását a talajképződés során, de követhetjük a különböző környezeti hatásokra bekövetkező talajdegradációs folyamatokat.

3.3. A talaj szerves fázisának elemzésére alkalmas módszerek 3.3.1. Infravörös spektroszkópia A módszer elve A molekulákat felépítő atomok a molekulán belül egymáshoz képest rugalmas módon elmozdulhatnak, kötéseik mentén rezeghetnek hosszabb molekulák hajladozhatnak, kötéseik körül elfordulhatnak. Ezek a mozgások mint az atomi részecskéknél már megszokhattuk kvantáltak, tehát határozott energiaadagokban történhet csak meg a változásuk. Ezek a kvantumenergiák a különböző infravörös sugárzás fotonjainak energiájával egyenlőek. A fent leírt periodikus mozgások frekvenciája és energiája elsősorban a részecskéket összekötő erőtől, és kémiai kötés típusától és a mozgásban résztvevő részecske tömegétől, vagyis az atomtömegtől függ. Ennek alapján az adott atomok között létrejövő kötéstípusokhoz néhány jellemző energia tartozik, melyeket infravörös technikával megmérhetünk. A módszer megvalósítása 22

A mérést általában abszorpciós módon végezzük, azaz egy külső infravörös sugárforrás fényét vezetjük át a mintán és egy detektor segítségével észleljük a fényintenzitást, a molekulán belüli kötésekkel rezonáló infravörös kvantumokat az anyag elnyeli és ott az intenzitás csökkenését tapasztaljuk. A mérés megvalósításában kétféle eljárást alkalmazhatunk. A klasszikus módszer alapján az infravörös forrás fényét egy prizma segítségével színeire bontjuk, majd egy rés segítségével a számunkra érdekes hullámhosszú sugarakat kiválasztjuk. A prizma forgatásával a kiválasztott hullámhosszat tudjuk folyamatosan változtatni. A monokromatikus sugárzást a mintán átvezetjük majd egy detektorba jut, ahol a fényintenzitással arányos elektromos jel keletkezik. A jel nagyságából következtetünk az elnyelés mértékére, az alkalmazott hullámhossz adja meg a kötés típusát. A prizma folyamatos forgatásával teljes spektrumot is felvehetünk a hullámhossz függvényében. Újabban a Fourier transzformációs infravörös spektroszkópiát alkalmazzuk, amely nagyobb fényereje és felbontása miatt előnyösebb. Itt az infravörös forrás sugárzását egy interferométerbe vezetjük amely azokat a sugarakat, melyeknek hullámhosszának az optikai úthossz egész számú többszöröse erősíti, a többi sugarat gyengíti vagy elnyeli. Folyamatosan változtatva az interferométer optikai úthosszát a hullámhossztartományt végigpásztázzuk. Ezt a sugárzást átvezetve a mintán és egy detektorral érzékelve egy olyan elnyelési színképet kapunk, amely nem az egyes hullámhosszak, hanem hollámhosszkombinációk függvényében adja az elnyelést. Ebből a kombinált jelből Fourier transzformáció segítségével megkaphatjuk az elnyelési spektrumot a hullámhossz függvényében. A mintán közvetlenül átereszthetjük az infravörös sugarakat, túl nagy elnyelés esetén hígíthatjuk alkáli-haloid sókkal, ebből tablettát is készíthetünk. Elemezhetjük a visszavert sugárzást is. Vizsgálhatjuk az anyagunk oldatát, vagy gázokat is. A módszer használata az talajvizsgálatokban Az infravörös spektroszkópiát a talaj víztartalma, a víz erős és sok hullámhosszra kiterjedő elnyelése miatt, erősen zavarja, ezért eredeti, változatlan talajminták vizsgálatára nem alkalmas. Jól használható azonban száraz talajminták mérésére, a talajból kivont szerves és szervetlen alkotórészek meghatározására, ezek molekuláinak változásának követésére különböző hatásokra. Használható a módszer talajba jutó idegen anyagok, növényvédő szerek, szennyező anyagok, gyors kimutatására, koncentrációjának mérésére. Végezhetünk kinetikai vizsgálatokat is a talajban levő anyagok egymásba alakulásának kimutatására, mivel a mérés elég gyors és nem változtatja meg a mért anyagot. Használható a talaj légnemű alkotórészének analitikájában is, mivel a gázok molekulái jó és egymástól elkülöníthető jeleket adnak. 3.3.2. Raman spektroszkópia A módszer elve Ez a módszer is az előbb említetthez hasonlóan a molekulákon belüli periodikus mozgások és a fotonok kölcsönhatásán alapul. Ebben az esetben azt a jelenséget használjuk ki, hogy egy rezgés külső gerjesztése esetén, ha a gerjesztő frekvencia nem egyezik meg pontosan a rendszer sajátfrekvenciájával, interferencia, lebegés lép fel. Ezt a sugárzást érzékelve, a különböző sajátfrekvenciák különböző lebegési frekvenciákat, így hullámhosszakat produkálnak. Végigpásztázva a hullámhossz tartományon 23

megmérhetjük, hogy milyen sugárzás kibocsátására képes az anyagunk, és ebből következtethetünk molekulái összetételére. A módszer megvalósítása Erős, monokromatikus sugárforrás fényét vezetünk a mintára, leggyakrabban erre a célra lézert használunk. A kibocsátott interferencia sugarakat az előbb vázolt infravörös spektroszkópok valamelyikével elemezzük. A kapott infravörös spektrum és a gerjesztő sugárzás ismeretében a hullámhosszak alapján meghatározhatjuk a molekulát felépítő atomokat és kötéseket, a sugárzás intenzitásával az adott kötések mennyisége lesz arányos. A módszer használata az talajvizsgálatokban A Raman spektroszkópiában kiválaszthatunk a gyakran túl bonyolult infravörös spektrumból egy tartományt, ahol vizsgálódni kívánunk. Ugyanígy a szűk és jól fókuszálható lézersugár segítségével a minta kis részletét is elemezhetjük. Így megmérhetjük valamely kiválasztott anyag (kötéstípus) előfordulását egy talajszemcsében, anélkül, hogy a környezetének erős zavarása elfedné kapott jelünket. A mérés felhasználási lehetőségei egyébként megegyeznek az infravörös spektroszkópiánál leírtakkal.

24

3.4. A szilárd fázis felületi tulajdonságainak vizsgálata 3.4.1. Elektrokinetikai potenciál mérése A módszer elve A szilárd részecskék felületén megkötődő ionok a felület töltését megváltoztatják, áttöltik. A felület töltése miatt kialakul egy elektromos tér amely az ellenkező töltésű ionokat, az úgynevezett ellenionokat magához vonzza. Az erősen adszorbeált réteg és az oldatfázis között kialakul egy diffúz réteg melyben az ellenionok koncentrációja fokozatosan csökken az oldatban mérhető ionkoncentrációig. Ha elektromos teret kapcsolunk a rendszerre, ebben a diffúz rétegben létrejön egy hasadási felület, ennek a hasadási felületnek a töltése létrehoz egy potenciált, ezt nevezzük elektrokinetikai potenciálnak, vagy ζ potenciálnak. Az elektrokinetikus potenciál fontos jellemzője a felület minőségének, a további adszorpció lefolyását erősen befolyásolaj. A ζ potenciál vizsgálható a külső elektromos térben felgyorsuló részecskék sebességének mérésével. A módszer megvalósítása A szuszpenzióba két indifferens elektródot merítünk és rájuk egyenfeszültséget kapcsolunk. A részecskék az elektromos tér hatására elmozdulnak. Az elmozdulás sebességét többféleképpen érzékelhetjük. Egyik megoldás szerint a részecskeméret analízisben is használt lézersugarat bocsátunk a szuszpenzióra, de itt nem a fény szóródását érzékeljük, hanem mérjük a mozgó részecskékkel történő ütközés után a doppler effektus miatt bekövetkező hullámhossz változást. A hullámhossz eltolódás mértéke arányos lesz a részecskék sebességével amiből az oldat viszkozitásának és a részecskeméret ismeretében az elektrokinetikus potenciál számítható. A másik elrendezésben a részecskéket ultramikroszkóppal megfigyeljük. Ennek lényege, hogy oldalról történő erős megvilágításban a fény hullámhosszánál kisebb részecskék is látszanak fénylő pontokként. A részecskék mozgását szemmel megfigyelhetjük egy skála mentén, vagy számítógépes képanalízissel meghatározhatjuk a fénylő pontok sebességét. A sebesség ismeretében az elektrokinetikai potenciál meghatározható. A módszer használata az talajvizsgálatokban A talajszemcsék felületének töltése, ami az elektrokinetikai potenciálból számolható, meghatározó a talaj adszorpció és ioncserélő képességében, ezen keresztül erősen befolyásolja a tápanyag-gazdálkodását. A mechanikai szerkezet és a másodlagos aggregátumok kialakításában is fontos szerepet játszik a töltött felületek taszító hatása miatt. A felületi töltés nem egy állandó érték a talajoknál, hanem a körülményektől mint pH, adszorpció, redoxpotenciál erősen függ. Ebből következik, hogy adott talaj esetén is rövid időn belül is megváltozhat így mérésével követhetjük azokat a folyamatokat, amelyek a talaj egész kolloid tulajdonságára erősen hatnak. 3.4.2. Kis szögű röntgen diffrakciós vizsgálat, SAXS A módszer elve Egy szilárd anyag felületét borító makromolekula réteg úgy viselkedik, mintha a felület nem sima, síkokkal határolt volna, hanem leginkább kisebb nagyobb hegyek és

25

völgyek találhatók rajta. Ezek a részlegesen beborított felületek egy a méretükkel összemérhető hullámhosszú sugárzást az inhomogenitásuk miatt szórnak, vagyis az egyenes iránytól többé kevésbé eltérítenek. Az eltérülés nagyságából következtethetünk a borítás mértékére és a felület fraktáldimanziójára. A fraktáldimenzió általában egy tört érték, ilyen 'szőrösen' borított felületek esetén kettő és három közötti érték. A kettes fraktáldimenzió a teljesen sima felületnek a hármas érték térszerkezetű anyagoknak fele meg. A fraktálokdimenzió fogalma magyarázatához, tegyük fel, hogy nagy nagyítással megnézünk egy szabad szemmel simának, két dimenziósnak tűnő felületet, a felületen kiemelkedéseket láthatunk. Minél jobban nagyítjuk a felületet, annál inkább egy összevissza szabdalt háromdimenziós réteg képe tárul elénk. Gondoljunk csak egy térképre ahol egy nagy léptékű térképen egyenes partvonal látható, a lépték csökkentésével egyre újabb és újabb félszigetek és öblök találhatók. A módszer megvalósítása A mérés módszere a krisztallográfiában alkalmazott röntgen diffrakciós mérésekkel megegyezik. A különbség pusztán az, hogy a detektort csak kis szögekben fordítjuk el az eltérülés nélküli sugártól, és a vizsgálatainkat az első diffrakciós vonalak megjelenése előtt befejezzük. Itt nem jól meghatározott csúcsokat fogunk kapni mint a diffrakciónál, hanem egy lassan csökkenő függvényt a szög növelésével. Minél nagyobb szögnél válik a röntgensugárzás intenzitása nullává, annál borítottabb a felület, annál nagyobb a fraktáldimenziója. A módszer használata az talajvizsgálatokban A talajszemcsék felületén megtapadó humuszanyagok és egyéb makromolekulák erősen befolyásolják a talaj másodlagos fizikai szerkezetének a kialakulását, a talaj mechanikai jellemzőit és természetesen a felület megváltoztatásával az összes felületi kémiai tulajdonságot. A makromolekulák a környezet megváltoztatásának hatására mint például pH, redox viszonyok, adszorpciós viszonyok, vízállapot, megváltoztatják alakjukat, kötődésüket a felületre, így igen sok talajt érő hatás befolyásolja a felület tulajdonságait. Ezeknek a tulajdonságoknak vizsgálatára és ezek megváltozásának követésére alkalmas az említett módszer.

26