Back to chapter

11.20:

Röntgenkristallografie

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
X-ray Crystallography

Languages

Share

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.

11.20:

Röntgenkristallografie

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, termed X-ray crystallography.

Diffraction

Diffraction is the change in the direction of travel experienced by an electromagnetic wave when it encounters a physical barrier whose dimensions are comparable to those of the wavelength of the light. X-rays are electromagnetic radiation with wavelengths about as long as the distance between neighboring atoms in crystals (on the order of a few angstroms). When a beam of monochromatic X-rays strikes a crystal, its rays are scattered in all directions by the atoms within the crystal. When scattered waves traveling in the same direction encounter one another, they undergo interference, a process by which the waves combine to yield either an increase or a decrease in amplitude (intensity) depending upon the extent to which the combining waves’ maxima are separated.

Bragg’s Law and Bragg’s Equation

When X-rays of a certain wavelength, λ, are scattered by atoms in adjacent crystal planes separated by a distance, d, they may undergo constructive interference when the difference between the distances traveled by the two waves prior to their combination is an integer factor, n, of the wavelength. This is Bragg's law. This condition is satisfied when the angle of the diffracted beam, θ, is related to the wavelength and interatomic distance by the equation: = 2d sin θ. This relation is known as the Bragg equation in honor of W. H. Bragg and W. L. Bragg, the English physicists who explained this phenomenon. They were awarded the Nobel Prize in Physics in 1915 for their contributions.

This text has been adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 10.6: Lattice Structures in Crystalline Solids.