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11.20:

X線結晶学

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X-ray Crystallography

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In 1913, the father and son scientists William Henry Bragg and William Lawrence Bragg noticed that when X-rays strike a crystalline solid at a certain angle, the X-rays diffract and produce a pattern of regularly spaced spots. This led to the development of X-ray crystallography, which uses this phenomenon to determine the structures of crystalline solids ranging from simple ionic compounds to complex macromolecules like nucleic acids and proteins. Recall that diffracted electromagnetic waves undergo constructive and destructive interference. This produces interference patterns, or diffraction patterns, showing the varying intensity of the diffracted waves at different points in space. X-rays are diffracted by the electrons of atoms if the atoms are regularly spaced and the X-ray wavelength is similar to the interatomic distance. When X-rays diffract from atoms in different planes, the diffracted waves may or may not be in phase. This depends on the interplanar spacing, d, and the angle at which the X-rays struck the atoms, or the incidence angle, theta. This is because the paths that the X-rays take from the source to the detector have different lengths. If the path difference is an integer multiple of the wavelength of the X-rays, then the X-rays constructively interfere. This results in the pattern of regularly spaced spots of diffracted waves observed by the Braggs, where each spot represents a diffraction angle resulting in constructive interference. The relationship between the angle of diffraction, the interplanar spacing, and the X-ray wavelength is expressed with Bragg’s equation. This relationship provides information about the underlying highly ordered arrangement of the atoms in the crystal. Ultimately, the lattice parameters can be derived from this information via a series of calculations. Modern instruments collect diffraction patterns from many different orientations and use the patterns and spot intensities to identify the crystal structure that is most likely to produce the observed combination of results.

11.20:

X線結晶学

結晶の単位格子の大きさや原子の配列は、結晶によるX線の回折を測定することで決定されます。これをX線結晶学といいます。

回折

電磁波が光の波長と同程度の大きさの物理的な障害物にぶつかり、進行方向が変わることを回折といいます。X線は、結晶中の隣り合う原子の間の距離と同じくらいの長さ(数オングストローム)の波長を持つ電磁波です。単色のX線が結晶に当たると、結晶内の原子によってX線があらゆる方向に散乱されます。これは、同じ方向に進む散乱波が互いにぶつかると、波が結合して、結合波’ の最大値がどの程度離れているかによって、振幅(強度)が大きくなったり小さくなったりする現象で、「干渉」と呼ばれています。

ブラッグの法則とブラッグの方程式

ある波長のX線が、距離dを隔てて隣接する結晶面の原子によって散乱されたとき、結合前の2つの波の移動距離の差が波長の整数倍nのとき、強め合う干渉を起こすことがあります。これがブラッグの法則です。この条件は、回折ビームの角度θが、次の方程式によって波長と原子間距離に関連付けられている場合に満たされる( = 2dsinθ)。 この関係は、この現象を説明した英国の物理学者であるW.H.ブラッグとW.L.ブラッグに敬意を表してブラッグ方程式といいます。 彼らはこの功績により、1915年にノーベル物理学賞を受賞しました。

上記の文章は以下から引用しました。 Openstax, Chemistry 2e, Section 10.6: CrystallineSolids