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11.20:

Cristallographie aux rayons X

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Chemistry
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X-ray Crystallography

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En 1913, les scientifiques père et fils William Henry Bragg et William Lawrence Bragg ont remarqué que lorsque les rayons X frappent un solide cristallin à un certain angle, les rayons X diffractent et produisent un motif de taches régulièrement espacées. Cela a conduit au développement de la cristallographie aux rayons X, qui utilise ce phénomène pour déterminer les structures des solides cristallins allant des simples composés ioniques aux macromolécules complexes comme les acides nucléiques et les protéines. Rappelez-vous que les ondes électromagnétiques diffractées subissent des interférences constructives et destructrices.Cela produit des motifs d’interférence, ou modèles de diffraction, montrant l’intensité variable des ondes diffractées en différents points dans l’espace. Les rayons X sont diffractés par les électrons des atomes si les atomes sont régulièrement espacés et la longueur d’onde des rayons X est similaire à la distance interatomique. Lorsque les rayons X diffractent des atomes dans différents plans, les ondes diffractées peuvent ou non être en phase.Cela dépend de l’espacement interplanaire, d, et l’angle auquel les rayons X ont frappé les atomes, ou l’angle d’incidence, thêta. En effet, les chemins empruntés par les rayons X à la source au détecteur ont des longueurs différentes. Si la différence de trajet un multiple entier de la longueur d’onde des rayons X, alors les rayons X interfèrent de manière constructive.Cela se traduit par un schéma des taches espacées d’ondes diffractées observées par les Braggs, où chaque point représente un angle de diffraction résultant en une interférence constructive. La relation entre l’angle de diffraction, l’espacement interplanaire et la longeure d’onde des rayons X est représentée par l’équation de Bragg. Cette relation fournit des informations à propos de l’arrangement hautement ordonné sous-jacent des atomes dans le cristal.Au final, les paramètres du maillage peuvent être dérivés de ces informations par une série de calculs. Les instruments modernes recueillent des modèles de diffraction de nombreuses orientations différentes et utilisent les modèles et les intensités des points pour identifier la structure cristalline la plus susceptible de produire la combinaison de résultats observés.

11.20:

Cristallographie aux rayons X

La taille de la maille et la disposition des atomes dans un cristal peuvent être déterminés à partir de mesures de la diffraction des rayons X par le cristal, appelée cristallographie aux rayons X.

Diffraction

La diffraction est le changement dans la direction de propagation que subit une onde électromagnétique lorsqu’elle rencontre une barrière physique dont les dimensions sont comparables à celles de la longueur d’onde de la lumière. Les rayons X sont des rayonnements électromagnétiques dont les longueurs d’onde sont aussi longues que la distance entre les atomes voisins dans les cristaux (de l’ordre de quelques angströms). Lorsqu’un faisceau de rayons X monochromatiques frappe un cristal, ses rayons sont diffusés dans toutes les directions par les atomes à l’intérieur du cristal. Lorsque des ondes diffusées se propageant dans la même direction se rencontrent, elles subissent une interférence, un processus par lequel les ondes se combinent pour produire une augmentation ou une diminution de l’amplitude (intensité) qui dépend de la mesure dans laquelle les maxima des ondes combinées sont séparés.

La loi de Bragg et l’équation de Bragg

Lorsque les rayons X d’une certaine longueur d’onde, λ, sont diffusés par des atomes dans des plans cristallins adjacents séparés par une distance, d, ils peuvent subir une interférence constructive lorsque la différence entre les distances parcourues par les deux ondes avant qu’elles ne soient combinées est un facteur entier, n, de la longueur d’onde. C’est la loi de Bragg. Cette condition est remplie lorsque l’angle du faisceau diffracté, θ, est lié à la longueur d’onde et à la distance interatomique par l’équation : = 2d sin θ. Cette relation est connue sous le nom de l’équation de Bragg en l’honneur de W. H. Bragg et W. L. Bragg, les physiciens anglais qui ont expliqué ce phénomène. Ils ont reçu le prix Nobel de physique en 1915 pour leurs contributions.

Ce texte a été adapté de Openstax, Chimie 2e, Section 10.6 : Structures de réseaux dans les solides cristallins.