Рентгеновская и нейтронная дифракция

Поскольку их длины волн соответствуют межатомным расстояниям, рентгеновские лучи и нейтроны когерентно рассеиваются от кристаллических плоскостей, а полученные дифракционные картины выявляют положения атомов в решетке.

Definition

Рентгеновская и нейтронная дифракция — это методы, которые определяют кристаллическую структуру путем измерения направлений и интенсивностей излучения, когерентно рассеянного от периодического атомного массива; конструктивная интерференция возникает, когда условие Брэгга или, эквивалентно, условие Лауэ связывает вектор рассеяния с вектором обратной решетки.

Scope

Эта тема охватывает дифракцию рентгеновских лучей и нейтронов кристаллами: закон Брэгга и эквивалентное условие Лауэ, структурные и атомные форм-факторы, определяющие интенсивность пиков, построение сферы Эвальда, а также дополнительную информацию, получаемую при рентгеновском рассеянии (чувствительном к электронной плотности) и нейтронном рассеянии (чувствительном к ядрам и магнитным моментам). Она связывает геометрию обратной решетки родственных тем с экспериментальным определением структуры, оставляя детальное описание приборов для прикладных областей.

Core questions

• Почему для возникновения дифракции зондирующая длина волны должна быть сопоставима с межатомным расстоянием?
• Как закон Брэгга и условие Лауэ являются эквивалентными утверждениями одной и той же физики?
• Что определяет интенсивность дифракционного пика и что такое структурный фактор?
• Как рентгеновское и нейтронное рассеяние предоставляют взаимодополняющую информацию об электронах, ядрах и спинах?

Key concepts

• Закон Брэгга и условие Лауэ
• Структурный фактор и атомный форм-фактор
• Построение сферы Эвальда
• Рентгеновское рассеяние от электронной плотности
• Нейтронное рассеяние от ядер и магнитного упорядочения

Key theories

Закон дифракции Брэгга

У. Л. Брэгг смоделировал дифракцию как отражение от параллельных плоскостей решетки, с конструктивной интерференцией, когда разность хода равна целому числу длин волн, что дает простое условие, лежащее в основе определения кристаллической структуры.

Clinical relevance

Дифракция является основным методом определения атомной структуры материалов и биомолекул; рентгеновская кристаллография установила структуры ДНК, белков и бесчисленных соединений, в то время как нейтронная дифракция уникально локализует легкие атомы и разрешает магнитные структуры.

History

Наблюдение фон Лауэ в 1912 году дифракции рентгеновских лучей от кристалла доказало как волновую природу рентгеновских лучей, так и решеточную природу кристаллов; формулировка закона отражения Брэггами в 1913 году сделала метод количественным, а нейтронная дифракция стала возможной после появления реакторных источников в 1940-х годах.

Key figures

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

Seminal works

• bragg1913
• ashcroft1976

Frequently asked questions

Почему для визуализации кристаллов используются рентгеновские лучи, а не видимый свет?

Для дифракции требуется длина волны, сопоставимая с разрешаемым расстоянием; межатомные расстояния составляют около одного ангстрема, что соответствует рентгеновским лучам и тепловым нейтронам, но в тысячи раз меньше длин волн видимого света.

Когда нейтронная дифракция предпочтительнее рентгеновской?

Нейтроны рассеиваются ядрами, а не электронами, поэтому они хорошо обнаруживают легкие атомы, такие как водород, и чувствительны к магнитным моментам, что делает их идеальными для локализации легких элементов и для картирования магнитных структур, которые рентгеновские лучи в значительной степени не улавливают.