11.20 : Рентгеновская кристаллография

В 1913 году отец и сын, ученые Уильям Генри Брэгг и Уильям Лоуренс Брэгг заметили, что когда рентгеновские лучи падают на кристаллическое твердое тело под определенным углом, они дифрагируют и образуют узор из регулярно расположенных пятен. Это привело к развитию рентгеновской кристаллографии, которая использует это явление для определения структуры кристаллических твердых веществ, от простых ионных соединений до сложных макромолекул, таких как нуклеиновые кислоты и белки. Напомним, что дифрагированные электромагнитные волны испытывают конструктивную и деструктивную интерференцию.

Это создает интерференционные картины или дифракционные картины, показывающие различную интенсивность дифрагированных волн в разных точках пространства. Рентгеновские лучи дифрагируют на электронах атомов, если атомы расположены регулярно, а длина волны рентгеновского излучения аналогична межатомному расстоянию. Когда рентгеновские лучи дифрагируют на атомах в разных плоскостях, дифрагированные волны могут совпадать или не совпадать по фазе.

Это зависит от межплоскостного расстояния d и угла, под которым рентгеновские лучи падают на атомы, или угла падения, тета. Это связано с тем, что пути, по которым рентгеновские лучи проходят от источника до детектора, имеют разную длину. Если разность пути является целым числом, кратным длине волны рентгеновских лучей, рентгеновские лучи конструктивно интерферируют.

Это приводит к картине из регулярно расположенных пятен дифрагированных волн, наблюдаемых Брэггом, где каждое пятно представляет собой угол дифракции, приводящий к конструктивной интерференции. Связь между углом дифракции, межплоскостным расстоянием и длиной волны рентгеновского излучения выражается уравнением Брэгга. Это соотношение дает информацию о лежащей в основе высокоупорядоченной структуре атомов в кристалле.

В конечном итоге параметры решетки могут быть получены из этой информации посредством серии расчетов. Современные инструменты собирают дифракционные картины от многих различных ориентаций и используют их и интенсивность пятен для определения кристаллической структуры, которая с наибольшей вероятностью даст наблюдаемую комбинацию результатов.