X-ray kristallografie

In 1913 merkten wetenschappers, vader en zoon, William Henry Bragg en William Lawrence Bragg op dat wanneer röntgenstralen een kristallijne vaste stof onder een bepaalde hoek raken, de röntgenstralen worden afgebogen en een patroon van regelmatig uit elkaar geplaatste vlekken produceren. Dit leidde tot de ontwikkeling van röntgenkristallografie, die dit fenomeen gebruikt om de structuren van kristallijne vaste stoffen te bepalen, variërend van eenvoudige ionische verbindingen tot complexe macromoleculen zoals nucleïnezuren en eiwitten. Bedenk dat afgebogen elektromagnetische golven constructieve en destructieve interferentie ondergaan.

Dit produceert interferentiepatronen, of diffractiepatronen, die de variërende intensiteit van de afgebogen golven op verschillende punten in de ruimte laten zien. Röntgenstralen worden afgebogen door de elektronen van atomen als de atomen regelmatig van elkaar verwijderd zijn en de golflengte van de röntgenstraling vergelijkbaar is met de interatomaire afstand. Wanneer röntgenstralen van atomen in verschillende vlakken verstrooien kunnen de verstrooide golven al dan niet in fase zijn.

Dit hangt af van de interplanaire afstand, d, en de hoek waaronder de röntgenstralen de atomen troffen, of de invalshoek, theta. Dit komt doordat de paden die de röntgenstralen nemen van de bron naar de detector verschillende lengtes hebben. Als het padverschil een geheel veelvoud is van de golflengte van de röntgenstralen, interfereren de röntgenstralen constructief.

Dit resulteert in het patroon van regelmatig uit elkaar geplaatste spots van verstrooide golven die werden waargenomen door de Braggs, waarbij elke spot een diffractiehoek vertegenwoordigt, wat resulteert in constructieve interferentie. De relatie tussen de diffractiehoek, de interplanaire afstand en de röntgengolflengte wordt uitgedrukt met de vergelijking van Bragg. Deze relatie geeft informatie over de onderliggende sterk geordende rangschikking van de atomen in het kristal.

Uiteindelijk kunnen de roosterparameters uit deze informatie worden afgeleid via een reeks berekeningen. Moderne instrumenten verzamelen diffractiepatronen uit veel verschillende oriëntaties en gebruiken de patronen en spotintensiteiten om de kristalstructuur te identificeren die het meest waarschijnlijk de waargenomen combinatie van resultaten zal produceren.