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Ionisierende Strahlung

Einleitung: Kristallstrukturanalyse

Die Struktur, d.h. die innere Gestalt eines Stoffes ist charakteristisch für sein physikalisches und chemisches Verhalten. Deshalb ist die Kenntnis über die Struktur eines Stoffes von großer Wichtigkeit. Es gibt verschiedene Methoden der Kristallstrukturanalyse. Zu Beispiel können mit Hilfe von Strahlen, deren Wellenlängen etwa den Atomabständen im Kristallgitter entsprechen, räumliche Anordnungen von Atomen im Kristall ermittelt werden. Vielfach werden Kristallstrukturanalysen mit Röntgenstrahlung durchgeführt, es sind aber ebenso andere Strahlungsquellen möglich (Elektronen-, Synchrotron-, Protonen- oder Neutronenstrahlen).

Funktionsweise

Röntgenstrahlen, die das Raumgitter eines Kristalls treffen, werden von diesem gebeugt. Die Beugung ist spezifisch für das Kristallgitter, das heißt jedem Gitter ist ein bestimmtes Beugungsbild zugeordnet.

Den mathematischen Zusammenhang gibt die Gleichung von Bragg: Um die einzelnen Kristallgitter zu identifizieren, wird die Beugung von Röntgenstrahlen an den einzelnen Teilchen interpretiert. Die Strahlen dringen in das Innere des Kristalls ein und werden an den Atomen oder Molekülen reflektiert.

Bragg'sches Gesetz
Abb.1
Beugung am Gitter
Die Röntgenstrahlen treten in die erste Phase des Kristalls ein. Während ein kleiner Teil an der ersten Atom- bzw. Molekülschicht reflektiert wird, dringt der Rest in das Innere des Kristalls und wird an der zweiten, dritten oder n-ten Schicht gebeugt. Die Streuung an den einzelnen Zentren ist verhältnismäßig klein. Sie können sich aber durch Interferenz verstärken, wenn der Gangunterschied (die Wegstrecke 2 d sin α ) ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ( n λ ) ist. Diese Bedingung für die Beugungsmaxima gilt nur für bestimmte Einfallswinkel ( α ).
nλ = 2 d sin α 1) mit n = 1, 2, 3, ...

Grundsätzlich lassen sich die Beugungsuntersuchungen mit elektromagnetischen Strahlen (Röntgenstrahlen) oder mit korpuskularen Stahlen (Teilchenstrahlen), zum Beispiel Elektronenstrahlen2) oder Neutronenstrahlen, durchführen. Je nach verwendeter Strahlungsart sind die Streuzentren entweder die Elektronenhüllen der Atome (Röntgenbeugung) oder die Atomkerne (Neutronenbeugung) selbst.

Um das Kristallgitter röntgenspektroskopisch zu untersuchen, gibt es verschiedene Methoden, bei denen das Bragg'sche Gesetz als Grundlage dient. Einige davon sind

Übungsaufgaben

Literatur

Kühl, O. (August 2012): Allgemeine Chemie. 1. AuflageWiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA , 220, ISBN: 978-3-527-33198-7
1)Der Beugungswinkel wird in der Literatur auch mit θ angegeben: nλ = 2 d sin θ .
2)Davisson-Germer-Experiment
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