Name: crystal structure using x-ray diffraction
Uploaded: 2023-04-30T07:02:53.000Z
Duration: 9 min 31 s
Channel: JoVE

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Ohio’s Learning Standards and Model Curriculum

9-12

Physical Geology

Minerals

Crystallinity (crystal structure)

X-ray Diffraction

Das folgende Verfahren gilt für ein bestimmtes XRD-Instrument und die zugehörige Software, und es kann einige Variationen geben, wenn andere Instrumente verwendet werden.
<ol><li>Wir werden eine Ni-Pulverprobe auf einem panalytischen Alpha-1 XRD-Instrument untersuchen.</li>
	<li>Wählen Sie zunächst die Maske aus, um die Strahlgröße entsprechend Ihrem Probendurchmesser zu fixieren. Der Strahl darf keinen Footprint haben, der größer als die Probe mit dem kleinsten Wert ist (in der Regel 70-100). Bei einer Probe der Breite sollte die Balkengröße < sin.</li>
	<li>Laden Sie die Probe in die Probenspinnerstufe, und sperren Sie die Probe in Position. Der Probenspinner hilft, die Exposition der Probe gegenüber der Röntgenquelle räumlich zu randomisieren.</li>
	<li>Wählen Sie den Winkelbereich für Ihren XRD-Scan aus. Zum Beispiel 15-90 Grad ist ein typischer Bereich.</li>
	<li>Wählen Sie eine Schrittgröße, d.h. das Inkrement in 2 ,und die Integrationszeit (Zählen). Im Allgemeinen ist eine 0,05-Grad-Schrittgröße und eine Integration von 4 Sekunden die Standardeinstellung für einen Weitwinkel-Scan.</li>
	<li>Sobald alle Spitzenpositionen durch diesen ersten Scan bestimmt werden, können sich nachfolgende Scans auf einen schmaleren Scanbereich um bestimmte Spitzen konzentrieren, indem eine kleinere Schrittgröße im Winkel verwendet wird, wenn Daten mit höherer Auflösung von diesen Spitzen gewünscht werden.</li>
</ol>

Dies ist eine Demonstration eines Standardmäßigen XRD-Experiments. Das in diesem Experiment untersuchte Material war in Pulverform, aber XRD funktioniert ebenso gut mit festem Material, solange die Probe eine flache Oberfläche hat, die parallel zur Ebene der Probenstufe eingestellt werden kann.
XRD ist eine ziemlich allgegenwärtige Methode zur Bestimmung des Vorhandenseins (oder Fehlens) kristallographischer Ordnung in Materialien. Abgesehen von der Standardanwendung zur Bestimmung der Kristallstruktur wird XRD häufig verwendet, um eine Vielzahl anderer struktureller Informationen zu erhalten, wie z. B.:
<ol><li>Ob die Struktur eines Materials amorph ist (gekennzeichnet durch einen breiten Buckel in der Beugungsintensität und einen Mangel an erkennbaren kristallographischen Spitzen),</li>
	<li>Ob es sich bei der Probe um ein Verbundwerkstoff handelt, das aus mehreren kristallographischen Phasen besteht, und, falls ja, den Anteil jeder Phase bestimmen,</li>
	<li>Bestimmen, ob ein Material ein amorpher/kristalliner Verbund ist</li>
	<li>Bestimmung der Korn-/Partikelgröße des Materials,</li>
	<li>Bestimmung des Texturgrads (bevorzugte Ausrichtung von Körnern) im Material.</li>
</ol>

Beziehung zwischen diffracted Spitzenpositionen und Kristallstruktur:
Wenn Lichtwellen von ausreichend kleiner Wellenlänge auf ein Kristallgitter einfallen, diffraktieren sie von den Gitterpunkten. Bei bestimmten Einfallswinkeln stören die diffrierten parallelen Wellen konstruktiv und erzeugen nachweisbare Intensitätsspitzen. W.H. Bragg identifizierte die in Abbildung 1 dargestellte Beziehung und leitete eine entsprechende Gleichung ab:
n n = 2dhkl sin 
Hier bei der Wellenlänge der verwendeten Röntgenstrahlen ist dhkl der Abstand zwischen einem bestimmten Satz von Ebenen mit (hkl) Miller-Indizes*, und - ist der Einfallswinkel, bei dem ein Beugungsgipfel gemessen wird. Schließlich ist n eine ganze Zahl, die die "harmonische Ordnung" der Beugung darstellt. Bei n=1 haben wir z.B. die erste Oberschwingung, was bedeutet, dass der Pfad der Röntgenstrahlen, der durch den Kristall diffracted wird (entspricht 2dhkl sin ) genau 1,während bei n=2 der diffrierte Pfad 2'ist. Typischerweise können wir n=1 und im Allgemeinen n=1 für sin-1(2'/dh'k'l') annehmen, wobei h'k'l' die Miller-Indizes der Ebenen sind, die den ersten Peak (bei dem niedrigsten 2-Wert) in einem Beugungsexperiment anzeigen. Miller-Indizes sind eine Gruppe von drei ganzzahlwenigen, die ein Notationssystem zum Identifizieren von Richtungen und Ebenen innerhalb von Kristallen bilden. Für Richtungen stellen die [h k l] Miller-Indizes die normalisierte Differenz in den jeweiligen x-, y- und z-Koordinaten (in einem kartesischen Koordinatensystem) von zwei Punkten entlang der Richtung dar. Bei Ebenen sind die Miller-Indizes (h k l) einer Ebene einfach die h k l Werte der Richtung senkrecht zur Ebene.
In einem typischen XRD-Experiment im Reflexionsmodus wird die Röntgenquelle in Position gebracht und die Probe in Bezug auf den Röntgenstrahl über . Ein Detektor nimmt den diffrierten Strahl auf und muss mit der Probenrotation Schritt halten, indem er mit der doppelten Geschwindigkeit rotiert (d. h. für einen gegebenen Probenwinkel von - ist der Detektorwinkel 2 "). Die Geometrie des Experiments ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig1v2.jpg"> Abbildung 1: Illustration von Braggs Gesetz.
Wenn ein Spitzenwert in der Intensität beobachtet wird, ist Gleichung 1 notwendigerweise erfüllt. Folglich können wir d-Abstände basierend auf den Winkeln berechnen, in denen diese Spitzen beobachtet werden. Durch die Berechnung der d-Spacings mehrerer Peaks können die Kristallklasse und die Kristallstrukturparameter material sample mithilfe einer Datenbank wie dem Hanawalt Search Manual oder Datenbankbibliotheken identifiziert werden, die mit der verwendeten XRD-Software verfügbar sind.
Wir gehen davon aus, dass es sich bei der untersuchten Probe nicht um einen einzigen Kristall handelt. Wäre die Probe ein einzelner Kristall mit einer bestimmten (h*k*l*) Ebene parallel zur Probenoberfläche, müsste sie gedreht werden, bis die Bragg-Bedingung für die (h*k*l*) erfüllt ist, um eine Spitze in diffracted Intensität (für n=1) mit potenziell höheren harmonischen (h*k*l*) Spitzen (z.B. für n=2) auch in höheren Winkeln nachweisbar zu sehen. Bei allen anderen Winkeln gäbe es keine Spitzen in einer einzigen Kristallprobe. Nehmen wir stattdessen an, dass die Probe entweder polykristallin ist oder dass es sich um ein Pulver handelt, mit einer statistisch signifikanten Anzahl von kristallinen Körnern oder Pulverpartikeln, die durch den einfallenden Röntgenstrahl beleuchtet werden. Unter dieser Annahme besteht die Stichprobe aus zufällig orientierten Körnern, mit einer ähnlichen statistischen Wahrscheinlichkeit für alle möglichen Gitterebenen zu diffract.
Die Beziehungen zwischen dem dhkl und den Einheitenzellparametern sind unten in den Gleichungen 2-7 für die 7 Kristallklassen, kubisch, tetragonal, sechseckförmig, rhombohedral, orthorhombic, monoclinic und triclinic dargestellt. Die Einheitenzellenparameter bestehen ausLängen von(a,b,c) und den Winkeln zwischen den Kanten der Einheitszellen für die 7 Kristallklassen (Abbildung 1x zeigt das Beispiel einer der Kristallklassen: die tetragonale Struktur, wobei a=bc und s = = 900). Mit mehreren diffragierten Spitzenpositionen (d.h. mehreren unterschiedlichen dhkl-Werten) können die Werte der Einheitenzellparameter eindeutig gelöst werden.
<img alt="Figure 2" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig2.jpg"> Abbildung 2: Die tetragonale Struktur als eine der sieben Kristallklassen.
Kubisch (a = b = c; n = n = 900):
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq1.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[2]
Tetragonal (a = b - c; - = n = 900):
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq2.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[3]
Hexagonal (a = b - c; - = 900; n = 1200):
<img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq3.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[4]
Orthorhombic (a b - c; - = n = 900):
<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq4.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[5]
Rhombohedral (a = b - c; - = n = 900):
<img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq5.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[6]
Monoklin (a b - c; - = 900€ )
<img alt="Equation 6" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq6.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;">[7]
Triklinisch (a b - c; - , 900)
      <img alt="Equation 7" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq8v2.jpg">[8]
Beziehung zwischen diffracted Spitzenintensitäten und Kristallstruktur:
Als nächstes untersuchen wir die Faktoren, die zur Intensität in einem XRD-Muster beitragen. Die Faktoren können als 1) den Beitrag zur Streuung aufschlüsseln, der sich direkt aus den einzigartigen strukturellen Aspekten des Materials ergibt (die spezifischen Typen und Positionen von Streuatomen in der Struktur) und 2) denen, die nicht spezifisch für das Material sind. Im ersten Fall gibt es zwei Faktoren: den "Absorptionsfaktor" und den "Strukturfaktor". Der Absorptionsfaktor hängt in erster Linie von der Fähigkeit des Materials ab, Röntgenstrahlen auf ihrem Weg ein- und ausgehen zu absorbieren. Dieser Faktor hat keine Abhängigkeit, solange die Proben nicht dünn sind (die Probe sollte &gt; 3-mal dicker sein als die Dämpfungslänge der Röntgenstrahlen). Mit anderen Worten, der Beitrag des Absorptionsfaktors zur Intensität verschiedener Spitzen ist konstant. Der "Strukturfaktor" wirkt sich direkt auf die Intensität bestimmter Spitzen als direkte Folge der Struktur aus. Die übrigen Faktoren, die "Multiplizität", die alle Ebenen, die zur gleichen Familie gehören, weil sie symmetrisch verwandt sind, und der Faktor "Lorentz-Polarisierung", der aus der Geometrie des XRD-Experiments stammt, wirken sich auch auf die relative Intensität der Spitzen, aber sie sind nicht spezifisch für ein Material und können leicht mit analytischen Ausdrücken berücksichtigt werden (d.h. XRD-Analysesoftware kann sie mit analytischen Funktionen entfernen).
<img alt="Figure 3" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig3.jpg"> Abbildung 3: Drei Beugungsstrahlpfade, von denen die Strahlen 11' und 22' die Bragg-Bedingung erfüllen, während Strahl 33' aus der Streuung durch ein Atom (roter Kreis) an einer beliebigen Position resultiert.
Als einziger Faktor, der den einzigartigen strukturellen Beitrag eines Materials zu den relativen Intensitäten von XRD-Spitzen trägt, ist der Strukturfaktor sehr wichtig und erfordert einen genaueren Blick. In Abbildung 2 nehmen wir an, dass die Bragg-Beugungsbedingung1. Ordnung (denken Sie daran, dass dies n=1 entspricht) zwischen Strahl11' und Strahl22' erfüllt ist, die auf zwei atomaren Ebenen in h00-Richtung (unter Verwendung der zuvor beschriebenen Miller-Indizes-Notation) verstreut sind, die durch einen Abstand d getrennt sind. Unter dieser Bedingung beträgt der Unterschied in der Bahnlänge zwischen Strahl11' und Strahl22' (22'-11') = SA + AR = . Die Phasenverschiebung zwischen den diffrierten Strahlen 1 und 2 ist daher22'-11' =(22'-11')/') 2' =2' (unter der Annahme einer kubischen Symmetrie und daher d = a/h in h00-Richtung].
Mit wenigen Schritten in der analytischen Geometrie kann gezeigt werden, dass die Phasenverschiebung,33'-11'), mit strahl 3 diffracted durch eine beliebige Ebene von Atomen, dieeinen beliebigen Abstand xsind, gegeben wird durch: Unter Berücksichtigung der beiden anderen orthogonalen Richtungen (0k0) und (00l) und v=y/a und w=z/a als Bruchkoordinaten in y- und z-Richtung erstreckt sich der Ausdruck für die Phasenverschiebung bis zu . Nun hat die Röntgenwelle, die durch das j-th-Atom in einer Einheitszelle gestreut wird, eine Streuamplitude von fj und eine Phase vonj, so dass die Funktion, die sie <img alt="Equation 8" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq8.jpg" style="opacity: 0.9; font-size: 14px;"> beschreibt, ist. Der Strukturfaktor, den wir suchen, ist daher die Summe aller Streufunktionen aufgrund all der einzigartigen Atome in einer Einheitszelle. Dieser Strukturfaktor F wird wie:
<img alt="Equation 9" src="/files/ftp_upload/10446/10446eq9v2.jpg">[9]
und der Intensitätsfaktor, der durch den Strukturfaktor beigesteuert wird, ist I = F2.
Basierend auf den Positionen (u,v,w) von Atomen auf bestimmten Ebenen (h,k,l) besteht die Möglichkeit von Interferenzen zwischen zerstreuten Wellen, die konstruktiv, zerstörerisch oder dazwischen sind, und diese Interferenz wirkt sich direkt auf die Amplitude der XRD-Spitzen aus. die (hkl) Ebenen darstellen.
Nun, ein Diagramm der Intensität, I, im Vergleich zu 2, ist das, was in einem XRD-Experiment gemessen wird. Die Bestimmung des Kristalltyps und der zugehörigen Einheitenzellparameter(a, b, c, , , und )kann analytisch erreicht werden, indem die systematische Anwesenheit/Abwesenheit von Peaks beobachtet wird, wobei die Gleichungen 2-9 verwendet werden, Werte mit Datenbanken verglichen werden, wobei Abzug und ein Prozess der Eliminierung verwendet werden. Heutzutage ist dieser Prozess ziemlich automatisiert durch eine Vielzahl von Software mit Kristallstruktur-Datenbanken verbunden.

röntgenbeugung

Quelle: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
Röntgenbeugung (XRD) ist eine Technik, die in der Materialwissenschaft zur Bestimmung der atomaren und molekularen Struktur eines Materials verwendet wird. Dies geschieht, indem eine Probe des Materials mit einfallenden Röntgenstrahlen bestrahlt und dann die Intensitäten und Streuwinkel der Röntgenstrahlen gemessen werden, die vom Material gestreut werden. Die Intensität der gestreuten Röntgenstrahlen wird in Abhängigkeit vom Streuwinkel dargestellt, und die Struktur des Materials wird aus der Analyse der Position, des Winkels und der Intensitäten der streunenden Intensitätsspitzen bestimmt. Neben der Möglichkeit, die durchschnittlichen Positionen der Atome im Kristall zu messen, können Informationen darüber bestimmt werden, wie die tatsächliche Struktur von der idealen abweicht, die sich beispielsweise aus interner Belastung oder aus Defekten ergibt.
Die Beugung der Röntgenstrahlen, die für die XRD-Methode von zentraler Bedeutung ist, ist eine Teilmenge der allgemeinen Röntgenstreuphänomene. XRD, das im Allgemeinen verwendet wird, um zu bedeuten, kann Weitwinkel-Röntgenbeugung (WAXD) können, fällt unter mehrere Methoden, die die elastisch gestreuten Röntgenwellen verwenden. Andere elastische Streutechniken auf Röntgenbasis umfassen die Röntgenstreuung mit kleinen Winkeln (SAXS), bei der die Röntgenstrahlen auf der Probe über den kleinen Winkelbereich von 0,1-100 in der Regel einfallen. SAXS misst strukturelle Korrelationen der Skala von mehreren Nanometern oder größer (z. B. Kristallaufbauten) und Röntgenreflektivität, die die Dicke, Rauheit und Dichte von Dünnschichten misst. WAXD deckt einen Winkelbereich über 100ab.

In Abbildung 4 sehen wir die XRD-Peaks für die Ni-Pulverprobe. Beachten Sie, dass die beobachteten Spitzen (z.B. {111}, {200}) für spitzen Werte gelten, die entweder alle geraden oder alle ungeraden Kombinationen von h, kund lhaben. Ni ist flächenzentrierte Kubik (FCC), und in allen FCC-Strukturen fehlen die Spitzen, die den Ebenenhklentsprechen, wobei h, kund l Mischungen aus geraden und ungeraden Ganzzahlen sind, aufgrund der zerstörerischen Interferenz der verstreuten Röntgenstrahlen. Spitzen, die Ebenen entsprechen, wie {210} und {211} fehlen. Dieses Phänomen wird als systematische Anwesenheits- und Abwesenheitsregeln bezeichnet und stellt ein analytisches Instrument zur Beurteilung der Kristallstruktur der Probe zur Verfügung.
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/10446/10446fig4.jpg"> Abbildung 4:Ein XRD-Scan von Ni mit einer flächenzentrierten kubischen Struktur wird angezeigt.

Röntgenbeugung

Source: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
X-ray diffraction (XRD) is a technique ...

Die Röntgenbeugung ist eine Technik zur Bestimmung der atomaren und molekularen Struktur von Materialien. Festkörper haben eine kristalline Struktur, die einer mikroskopischen Anordnung von Atomen entspricht, die sich periodisch wiederholt. Durch das Abstecken von Ebenen kann eine 3-D-Struktur mit spezifischer Symmetrie gebildet werden. Diese strukturellen Anordnungen führen zu einer spezifischen Packungsgeometrie, die die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Materials vorgibt. Wie Magnetisierung, Wärmeleitfähigkeit oder Formbarkeit. Die Reflexion von Röntgenstrahlen an Materialien kann die inneren Details ihrer Struktur offenbaren. In diesem Video werden die allgemeinen Prinzipien der Röntgenbeugung an einem Material veranschaulicht und wie dieses Phänomen im Labor genutzt wird, um die Struktur und chemische Zusammensetzung von Materialien zu bestimmen. Schauen wir uns zunächst einen Kristall genauer an. Es besteht aus Atomgittern, die in Ebenen angeordnet sind, die periodisch durch einen Abstand von dhkl von einigen Ångström getrennt sind. H, k, l sind Miller-Indizes, ein Satz von drei ganzen Zahlen, die ein Notationssystem zur Identifizierung von Richtungen und Ebenen innerhalb von Kristallen bilden. Die kleinste sich wiederholende Struktur in einem Kristall wird als Elementarzelle bezeichnet. Unterschiedliche Winkel, alpha, beta, gamma und die Längen a, b, c, einer Elementarzelle, die das Gitter bildet, führen zu unterschiedlichen Symmetrien. Es gibt sieben Kristallsysteme. Kubisch, tetragonal, orthorhombisch, rhomboedrisch, monoklistisch, triklin und hexagonal. Die Beziehung zwischen den Elementarzellenparametern und den Miller-Indizes kann für jede Kristallklasse berechnet werden. Elektromagnetisch mit der Wellenlänge Lambda kann ähnliche Abmessungen mit den Unterschieden zwischen den Ebenen innerhalb des Gitters des Kristalls haben. Diese entsprechen Wellenlängen im Röntgenspektralbereich. Wenn Röntgenlichtwellen einen Kristall mit einem Einfallswinkel Theta bestrahlen, breiten sie sich durch den Kristall aus und treffen auf Gitterpunkte, von denen aus sie abbrechen. Das Braggsche Gesetz bezieht sich auf diese Parameter, wobei n eine ganze Zahl ist, die die harmonische Ordnung der Beugung darstellt. Für ein gegebenes Lambda führen nur bestimmte Winkel Theta zur Beugung. Dies ist die einzigartige Signatur einer kristallinen Struktur. In einem Experiment wird die Probe gedreht und der Detektor, der die gestreute Röntgenstrahlung sammelt, zeichnet Intensitätsspitzen auf, wenn diese charakteristischen Winkel erreicht werden. Man kann dann den Gitterabstand DHKL für jeden Winkel extrahieren, der dem Braggschen Gesetz entspricht. Unter Verwendung mehrerer gebeugter Peakpositionen, die mehreren unterschiedlichen DHKL-Werten entsprechen, können die Parameter der Elementarzelle eindeutig gelöst werden. Zwei Hauptfaktoren tragen zur relativen Intensität der Spitzen bei. Erstens gibt es die nicht-strukturellen Beiträge, zu denen die Fähigkeit des Materials, Röntgenlicht zu absorbieren, und die Geometrie des XRD-Experiments gehören. Diese können bei der Nachbearbeitung der experimentellen Daten berücksichtigt werden. Zweitens, und das ist am wichtigsten, wird der strukturelle Beitrag des Materials auf die relativen Intensitäten der XRD übertragen. Jeder Beugungspeak ist in der Tat die Summe aller gestreuten Amplituden aus mehreren Strahlengängen, die von allen einzigartigen Atomen in einer Einheitszelle gebeugt werden. Sind Streulichter phasengleich, liegt eine konstruierte Interferenz vor. Wenn sie phasenverschoben sind, kommt es zu zerstörten Interferenzen. Diese Interferenzen wirken sich direkt auf die Amplitude der XRD-Peaks aus, die die HKL-Ebenen des Kristalls darstellen. Wir werden nun sehen, wie diese Prinzipien in einem tatsächlichen Röntgenbeugungsexperiment angewendet werden. Bevor Sie beginnen, sollten Sie das XRD-Instrument sorgfältig inspizieren und seinen Status und seine Sicherheit beurteilen. XRD-Anwender müssen in grundlegender Strahlensicherheit geschult werden, bevor sie Zugang zu dem Gerät erhalten. Fahren Sie dann mit der Probenvorbereitung fort. In diesem Experiment verwenden wir eine Nickelpulverprobe in Form eines gepressten Pellets. Es ist wichtig, dass die Probe nicht dünn ist und mindestens dreimal dicker ist als die Abschwächungslänge der Röntgenstrahlen. Beachten Sie, dass das folgende Verfahren für ein bestimmtes XRD-Gerät und die zugehörige Software gilt und dass es bei der Verwendung anderer Geräte zu Abweichungen kommen kann. Legen Sie die Probe in den Probenspinnertisch und verriegeln Sie die Probe, wobei Sie darauf achten sollten, dass die bestrahlte Seite der Probe parallel zum Probentisch verläuft. Verwenden Sie eine Maske, um die Röntgenstrahlgröße des Instruments entsprechend dem Probendurchmesser anzupassen. Beim kleinsten Einfallswinkel muss der Balken eine Grundfläche haben, die kleiner als die Probenbreite ist. Jetzt ist es an der Zeit, die Erfassungsparameter auszuwählen. Wählen Sie zunächst den Winkelbereich für den XRD-Scan aus. Typischerweise reicht der Bereich von 15 bis 90 Grad. Wählen Sie dann die Schrittweite sowie die Integrationszeit für jeden gescannten Winkel aus. Fahren Sie anschließend mit der Datenerfassung fort. Nach dem Scan wird ein Diagramm der Intensität in Abhängigkeit vom Winkel zum Theta erstellt. Wählen Sie bei diesem ersten Scan bestimmte Peaks aus und bestimmen Sie die Peakpositionen. Wiederholen Sie die Erfassung und konzentrieren Sie sich diesmal auf einen schmaleren Scanbereich um bestimmte Peaks. Verwenden Sie eine kleinere Schrittweite im Winkel, um Daten mit höherer Auflösung zu erhalten. Sobald die Datenerfassung abgeschlossen ist, können die Daten analysiert werden, um die Struktur des Materials zu identifizieren. Mit Hilfe der Gerätesoftware und der Datenbankbibliothek wird jeder Peak des Spektrums identifiziert und mit einer spezifischen Symmetrie der Kristallanordnung verknüpft. In diesem speziellen Fall der Nickelpulverprobe zeigt das Spektrum einen ersten Peak, der einer Eins-Eins-Symmetrie entspricht. Der zweite Peak ist mit einer Zwei-Null-Null-Symmetrie verbunden und so weiter. Dann stellt die Software fest, dass diese spezifische Kombination von Symmetrien einer flächenzentrierten kubischen Struktur entspricht, und sie erkennt, dass es sich bei der Probe um ein Nickelpulver handelt. Die Röntgenbeugung ist eine Standardmethode zur Bestimmung des Vorhandenseins oder Fehlens kristallographischer Ordnung in Materialien. Es wird häufig verwendet, um eine Vielzahl anderer struktureller Informationen über innere Spannungen und Defekte in einem Kristall oder mehrere kristallographische Phasen in Verbundwerkstoffen zu erhalten. Die XRD-Technik wird auch in der Biologie eingesetzt, um die Struktur und räumliche Orientierung von biologischen Makromolekülen wie Proteinen und Nukleinsäuren zu bestimmen. Auf diese Weise wurde insbesondere die Doppelhelix-Struktur der DNA entdeckt, was 1962 zum Nobelpreis für Physiologie oder Medizin führte. Bei der Erforschung der Geochemie von Mineralien, sei es für den Bergbau oder sogar für die Planetenerkundung, wird ebenfalls die XRD-Technik verwendet. Denken Sie an den Rover Curiosity auf dem Mars, der unter seinen zehn wissenschaftlichen Instrumenten einen XRD-Detektor hat, um die Zusammensetzung des Marsbodens zu analysieren. Sie haben gerade Jupiters Einführung in die Röntgenbeugung gesehen. Sie sollten nun die kristalline Struktur eines Festkörpers und die Prinzipien der Röntgenbeugung verstehen. Sie sollten auch wissen, wie die XRD-Technik im Labor angewendet wird, um die Struktur und chemische Zusammensetzung von Materialien zu erhalten. Danke fürs Zuschauen!

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The results are plotted as intensity versus angle. Scientists then analyze the position of the peaks and their strength to determine the structure of the material. This method can also show how a real crystal differs from an ideal one. It can reveal effects such as internal stress and defects.

X-ray diffraction is part of a broader group of X-ray scattering methods. It is often used to mean wide-angle X-ray diffraction, or WAXD. WAXD covers scattering at angles above 10 degrees.

Other elastic scattering methods include small angle X-ray scattering, or SAXS, and X-ray reflectivity. SAXS uses a small angular range of about 0.1 to 10 degrees and measures structural correlations on the scale of several nanometers or larger, such as crystal superstructures. X-ray reflectivity is used to measure the thickness, roughness, and density of thin films.

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Summary

The Atomic Theory of Matter

The earliest recorded discussion of the basic structure of matter comes from ancient Greek philosophers. Leucippus and Democritus argued that all matter ...

Subatomic Particles

Dalton was only partially correct about the particles that make up matter. All matter is composed of atoms, and atoms are composed of three smaller ...

Elements: Chemical Symbols and Isotopes

A chemical symbol is an abbreviation used to indicate an element or an atom of an element. For example, the symbol for mercury is Hg. The same symbol is ...

Atomic Mass

Atoms &mdash; and the protons, neutrons, and electrons that compose them &mdash; are extremely small. For example, a carbon atom weighs less than 2 ...

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Physical Properties Of Minerals II: Polymineralic Analysis

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
The physical properties of minerals include various measurable and discernible ...

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Physical Properties Of Minerals I: Crystals and Cleavage

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
The physical properties of minerals comprise various measurable and discernible ...

Atoms and elements

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

Atoms and elements

Types of Chemical Bonds

Chemical bonding theories were pioneered by American chemist Gilbert&#xA0;N. Lewis. He developed a model called the Lewis model to explain the type and ...

Ionic Bonds

When atoms gain or lose electrons to achieve a more stable electron configuration they form ions. Ionic bonds are electrostatic attractions between ions ...

Ionic Bonding and Electron Transfer

Ions are atoms or molecules bearing an electrical charge. A cation (a positive ion) forms when a neutral atom loses one or more electrons from its valence ...

Lewis Symbols and the Octet Rule

Chemical bonds are complex interactions between two or more atoms or ions, which reduce the potential energy of the molecule. Gilbert N. Lewis developed a ...

Chemical Bonds


Atoms participate in a chemical bond formation&#160;to acquire a completed valence-shell electron configuration similar to that of the noble gas nearest ...

Covalent Bonding and Lewis Structures

Compared to ionic bonds, which results from the transfer of electrons between metallic and nonmetallic atoms, covalent bonds result from the mutual ...

Bonding in Metals

Metallic bonds are formed between two metal atoms. A simplified model to describe metallic bonding has been developed by Paul Dr&#xFC;de called the ...

soil-nutrient-analysis-nitrogen-phosphorus-and-potassium

Soil Nutrient Analysis: Nitrogen, Phosphorus, and Potassium

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
In this experiment, three soil macronutrients are chemically extracted, ...

Chemical bonding (ionic, covalent, metallic)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

Chemical bonding (ionic, covalent, metallic)

Structures of Solids

Solids in which the atoms, ions, or molecules are arranged in a definite repeating pattern are known as crystalline solids. Metals and ionic compounds ...

Ionic Crystal Structures

Ionic crystals consist of two or more different kinds of ions that usually have different sizes. The packing of these ions into a crystal structure is ...

X-ray Crystallography

The size of the unit cell and the arrangement of atoms in a crystal may be determined from measurements of the diffraction of X-rays by the crystal, ...

Classifying Matter by Composition

Matter: Pure Substances and Mixtures
According to its composition, the matter can be classified into two broad categories &mdash; pure substances and ...

Optical Materialography Part 2: Image Analysis

Source: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
The imaging of microscopic structures of ...

X-ray Photoelectron Spectroscopy

Source: Faisal Alamgir, School of Materials Science and Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, GA
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) ...

Crystallinity (crystal structure)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

single-crystal-and-powder-x-ray-diffraction

Single Crystal and Powder X-ray Diffraction

Source: Tamara M. Powers, Department of Chemistry, Texas A&#38;M University&#160;
X-ray crystallography is a technique that uses X-rays to study the ...

determining-the-solubility-rules-of-ionic-compounds

Determining the Solubility Rules of Ionic Compounds

Source: Laboratory of Dr. Neal Abrams &#8212; SUNY College of Environmental Science and Forestry
An ionic compound&#39;s solubility can be determined via ...

Criteria of a mineral (crystalline solid, occurs in nature, inorganic, defined chemical composition)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

physical-and-chemical-properties-of-matter

Physical and Chemical Properties of Matter

The characteristics that enable us to distinguish one substance from another are called properties.

Physical Properties of Matter

A physical property is ...

Metallic Solids

Metallic solids such as crystals of copper, aluminum, and iron are formed by metal atoms. The structure of metallic crystals is often described as a ...

Properties of Transition Metals

Transition metals are defined as those elements that have partially filled d orbitals. As shown in Figure 1, the d-block elements in groups 3&#8211;12 are ...

stress-strain-characteristics-of-aluminum

Stress-Strain Characteristics of Aluminum

Source:&#160;Roberto Leon, Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Tech, Blacksburg, VA
Aluminum is one of the most abundant materials ...

an-overview-of-bgdgt-biomarker-analysis-for-paleoclimatology

An Overview of bGDGT Biomarker Analysis for Paleoclimatology

Source: Laboratory of Jeff Salacup&#160;- University of Massachusetts Amherst
Throughout this series of videos, natural samples were extracted and ...

an-overview-of-alkenone-biomarker-analysis-for-paleothermometry

An Overview of Alkenone Biomarker Analysis for Paleothermometry

Properties of minerals (hardness, luster, cleavage, streak, crystal shape, fluorescence, flammability, density/specific gravity, malleability)

Content elaboration: This unit builds upon the Earth and Space Science strand in grade 6, where common minerals are defined, tested and classified. It also incorporates knowledge of mineral properties and crystalline structures (chemical compositions and bonding) included in the chemistry sections of other high school courses. The emphasis in this course is to relate the chemical and physical components of minerals to the properties of the minerals. This requires extensive mineral testing, investigations, experimentation, observation, use of technology and models/modeling. The focus is on learning the ways to research, test and evaluate minerals, not in memorization of mineral names or types. Properties such as cleavage and hardness are connected to the chemical structure and bonding of the mineral. In addition, the environment in which minerals form should be part of the classification of the mineral, using mineral data to help interpret the environmental conditions that existed during the formation of the mineral.

properties-minerals-hardness-luster-cleavage-streak-crystal-shape

Properties of minerals (hardness, luster, cleavage, streak, crystal shape, fluorescence, flammability, density/specific gravity, malleability)

Crystal Structure Using X-ray Diffraction

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