Вопрос 9. 15 минут.

Дифракция электромагнитных волн на пространственных структурах - основа рентгеноструктурного анализа.

Рентгеноструктурный анализ биологических молекул .

Дифракция света может наблюдаться не только на плоских (щель, отверстие), но и на пространственных (трёхмерных) структурах, обнаруживающих периодичность по трём не лежащим в одной плоскости направлениям. Подобными структурами являются все кристаллические тела. Однако период их ( ~ 10^-8 см) слишком мал для того, чтобы можно было наблюдать дифракцию в видимом свете. Условие d   выполняется в случае кристаллов лишь для рентгеновских лучей. Впервые дифракция рентгеновских лучей от кристаллов наблюдалась в 1913 году в опыте Лауэ, Фридриха и Килппинга (Лауэ принадлежит идея, остальным авторам - практическое осуществление опытов).

Выделенный диафрагмами узкий пучок излучения от рентгеновской трубки направлялся через кристалл на фотопластинку. На ней кроме центрального пятна, соответствующего прямому направлению лучей, была обнаружена система правильно расположенных пятнышек, положение которых отражало структуру кристалла. Подобную картину называют лауэграммой.

Русский учёный Ю.В.Вульф и английские физики У.Г. и У.Л. Брэгги (отец и сын) вывели простое соотношение, связывающее направления дифракционных максимумов с расстоянием между плоскостями расположения атомов в решётке кристалла.

Плоские вторичные волны, отразившиеся от разных атомных слоёв, когерентны и будут интерферировать между собой подобно волнам, посылаемым в данном направлении различными щелями дифракционной решётки, образуя в опрелённых направлениях максимумы. Эти направления определяются условиями:

2l sin =  k (k = 1, 2, . . .) - соотношение называется формулой Вульфа-Брэгга.

Дифракция рентгеновских лучей от кристаллов находит два основных применения.

1) Она используется для исследования спектрального состава рентгеновского излучения (рентгеновская спектроскопия).

2) Для изучения структуры кристаллов (рентгеноструктурный анализ).

В методе структурного анализа, предложенном Лауэ, пучок рентгеновских лучей со сплошным спектром направлен на неподвижный монокристалл. Для каждой системы слоёв, достаточно густо усеяных атомами, находится в излучении длина волна, при которой выполняется условие Вульфа-Брэгга. Поэтому на поставленной за кристаллом фотопластинке (после проявления) получается совокупность чёрных пятнышек. Взаимное расположение пятнышек отражает симметрию кристалла. По расстояниям между пятнышками и по их интенсивности удаётся найти размещение атомов в кристалле и расстояние между ними.

В методе структурного анализа, разработанном Дебаем и Шерером, используются монохроматическое рентгеновское излучение и поликристаллические образцы. Исследуемое вещество измельчается в порошок, из которого прессуется образец в виде проволочки. Образец устанавливается по оси цилиндрической камеры, на боковую поверхность которой укладывается фотоплёнка. В огромном количестве беспорядочно ориентированных кристалликов найдётся множество таких, для которых окажется выполненным условие Вульфа-Брэгга, причём дифрагированный луч будет для разных кристалликов лежать во всевозможных плоскостях. В результате для каждой системы атомных слоёв и каждого “k” получится не одно направление максимума, а конус направлений, ось которого совпадает с напрвлением падающего пучка. Получающаяся на плёнке картина (дебаеграмма) имеет вид окружностей или дуг.

Расшифровка рентгенограммы позволяет определить структуру кристалла.

Дифракцию рентгеновских лучей наблюдают также при рассея-нии их аморфными твёрдыми тлами, жидкостями и газами. В этом случае на рентгенограмме получаются широкие и размытые кольца.