Diffraction des rayons X et des neutrons

Leurs longueurs d'onde étant comparables aux espacements interatomiques, les rayons X et les neutrons sont diffusés de manière cohérente par les plans cristallins, et les figures de diffraction résultantes révèlent les positions atomiques dans le réseau.

Definition

La diffraction des rayons X et des neutrons sont des techniques qui permettent de déterminer la structure cristalline en mesurant les directions et les intensités du rayonnement diffusé de manière cohérente par l'arrangement atomique périodique ; une interférence constructive se produit lorsque la condition de Bragg ou, de manière équivalente, la condition de Laue, relie le vecteur de diffusion à un vecteur du réseau réciproque.

Scope

Ce sujet aborde la diffraction des rayons X et des neutrons par les cristaux : la loi de Bragg et la condition de Laue équivalente, les facteurs de structure et de forme atomique qui déterminent les intensités des pics, la construction de la sphère d'Ewald, et les informations complémentaires obtenues par la diffusion des rayons X (sensible à la densité électronique) et la diffusion des neutrons (sensible aux noyaux et aux moments magnétiques). Il relie la géométrie du réseau réciproque des sujets connexes à la détermination expérimentale de la structure, tout en laissant l'instrumentation détaillée aux domaines appliqués.

Core questions

• Pourquoi la longueur d'onde de la sonde doit-elle être comparable à l'espacement interatomique pour que la diffraction se produise ?
• Comment la loi de Bragg et la condition de Laue sont-elles des énoncés équivalents de la même physique ?
• Qu'est-ce qui détermine l'intensité d'un pic de diffraction, et qu'est-ce que le facteur de structure ?
• Comment la diffusion des rayons X et des neutrons fournit-elle des informations complémentaires sur les électrons, les noyaux et les spins ?

Key concepts

• Loi de Bragg et condition de Laue
• Facteur de structure et facteur de forme atomique
• Construction de la sphère d'Ewald
• Diffusion des rayons X par la densité électronique
• Diffusion des neutrons par les noyaux et l'ordre magnétique

Key theories

Loi de diffraction de Bragg

W. L. Bragg a modélisé la diffraction comme une réflexion à partir de plans réticulaires parallèles, avec une interférence constructive lorsque la différence de chemin optique est égale à un nombre entier de longueurs d'onde, donnant la condition simple qui sous-tend la détermination de la structure cristalline.

Clinical relevance

La diffraction est la méthode principale pour déterminer la structure atomique des matériaux et des biomolécules ; la cristallographie aux rayons X a permis d'établir les structures de l'ADN, des protéines et d'innombrables composés, tandis que la diffraction neutronique localise de manière unique les atomes légers et résout les structures magnétiques.

History

L'observation par Von Laue en 1912 de la diffraction des rayons X par un cristal a prouvé à la fois la nature ondulatoire des rayons X et la nature réticulaire des cristaux ; la formulation de la loi de réflexion par les Bragg en 1913 a rendu la méthode quantitative, et la diffraction neutronique a suivi une fois que les sources de réacteurs sont devenues disponibles dans les années 1940.

Key figures

• Max von Laue
• William Lawrence Bragg
• William Henry Bragg

Seminal works

• bragg1913
• ashcroft1976

Frequently asked questions

Pourquoi utilise-t-on les rayons X, et non la lumière visible, pour imager les cristaux ?

La diffraction nécessite une longueur d'onde comparable à l'espacement à résoudre ; les distances interatomiques sont d'environ un angström, ce qui correspond aux rayons X et aux neutrons thermiques, mais est des milliers de fois plus petit que les longueurs d'onde de la lumière visible.

Quand la diffraction neutronique est-elle préférée aux rayons X ?

Les neutrons sont diffusés par les noyaux plutôt que par les électrons, ils détectent donc bien les atomes légers comme l'hydrogène et sont sensibles aux moments magnétiques, ce qui les rend idéaux pour localiser les éléments légers et pour cartographier les structures magnétiques que les rayons X manquent largement.