dyfrakcyjne metody badania materii
 
Encyklopedia
dyfrakcyjne metody badania materii,
zespół metod służących do określania struktury materii, tj. rodzaju atomów, z których jest ona zbudowana i rozmieszczenia ich w przestrzeni.
Metody dyfrakcyjne stanowią, oprócz metod mikroskopowych i spektroskopowych, najważniejszą grupę metod badania materii. Podstawą metod dyfrakcyjnych jest zjawisko interferencji fal, rozpraszanych przez atomy substancji, prowadzące do wygaszania rozpraszanego promieniowania w pewnych kierunkach, a wzmacniania w innych, tj. do powstania tzw. wiązki ugiętej (dyfrakcja fal, dyfrakcja cząstek). W przypadku ciał stałych bezpostaciowych (ciało stałe), cieczy lub gazów, rozpraszanie fal podlega uśrednieniu i nie zależy od kierunku wiązki padającej; natomiast natężenia wiązek ugiętych zależą od kąta rozpraszania. Metody dyfrakcyjne dostarczają w tym przypadku tylko statyst. informacji o odległościach między atomami. Na ich podstawie wyznacza się zwykle tzw. radialną funkcję rozkładu, opisującą zależność gęstości materii rozpraszającej od promienia sfery otaczającej statystycznie wybrany atom. Funkcja ta jest ważnym parametrem określającym strukturę ciała bezpostaciowego; wraz ze zwiększaniem odległości od wybranego atomu w przebiegu funkcji występują 3 lub 4 maksima, następnie wykres funkcji zbliża się asymptotycznie do paraboli; położenie pierwszego maksimum określa średnią odległość danego atomu od najbliższych sąsiadów, następne maksima dostarczają informacji o położeniach dalszych sąsiadów.
W przypadku substancji krystalicznych, które dla fal o dostatecznie małej długości pełnią funkcję trójwymiarowych siatek dyfrakcyjnych, wiązki ugięte pojawiają się tylko w pewnych określonych kierunkach, a ich natężenia są silnie zróżnicowane. Możliwość pojawienia się wiązki ugiętej zależy od spełnienia warunku Bragga–Wulfa: = 2d(hkl) sinΘ (hkl) (n = 1, 2, 3... to tzw. rząd odbicia, λ — długość fali, d(hkl) — odległość między płaszczyznami sieciowymi (hkl), h, k, lwskaźniki Millera, θ (hkl) — charakterystyczny dla danej sieci kąt, pod którym następuje odbicie promieni od płaszczyzn sieciowych) lub warunku Lauego: a (cos α – cos α0) = (α0 — kąt padania wiązki promieni na prostą sieciową o periodzie identyczności a, α — kąt ugięcia wiązki, H — liczba całkowita). Metody dyfrakcyjne, w których rejestruje się rozkłady przestrzenne wiązek ugiętych oraz ich natężenia, pozwalają określić wymiary i kształt komórki elementarnej kryształu, jego elementy symetrii, a także rozmieszczenie atomów w komórce elementarnej, tj. w pełni określić strukturę kryształu.
Głównym problemem metod dyfrakcyjnych, do których współcześnie zalicza się krystalografię rentgenowską (dawna nazwa — rentgenografia), elektronografię i neutronografię, jest tzw. problem fazy, polegający na tym, że doświadczalnie rejestruje się jedynie kąty ugięcia i natężenia ugiętych fal, natomiast informacji o ich fazach bezpośrednio uzyskać nie można. Problem fazy pojawia się także w metodach obliczeniowych, wykorzystujących szeregi Fouriera (analiza harmoniczna), służących do określania struktury kryształów na podstawie danych doświadczalnych uzyskanych metodami dyfrakcji. Do rozwiązania tego problemu stosuje się coraz doskonalsze sposoby mat. i doświadczalne (rentgenowska analiza strukturalna). Za przełomowe prace w tej dziedzinie H. Hauptman i J. Karle 1985 otrzymali Nagrodę Nobla.
Szczególne znaczenie mają metody dyfrakcyjne w badaniu makrocząsteczek, dostarczają bowiem informacji, których nie można uzyskać za pomocą innych metod. Badaniu poddaje się kryształy zbudowane z identycznych makrocząsteczek (krysztaly molekularne) i wykorzystuje się fakt, że w krysztale zachodzi wielokrotne wzmocnienie efektów dyfrakcyjnych pochodzących od pojedynczych cząsteczek, co umożliwia określanie ich struktury. Jest to wykorzystywane m.in. w dziedzinie biochemii, chemii polimerów, farmacji; metody dyfrakcji zostały np. zastosowane przez F. Cricka, M. Wilkinsa i J. Watsona do określenia struktury DNA (za co 1962 otrzymali Nagrodę Nobla).
Metody dyfrakcyjne stosuje się również do badania defektów struktury krystalicznej, ponieważ wszelkie odstępstwa od doskonałej okresowości kryształu powodują zaburzenia warunków dyfrakcji. Korzysta się np. z efektów tzw. kontrastu dyfrakcyjnego pozwalającego uwidocznić defekty przy prześwietlaniu kryształu wiązką promieni rentgenowskich czy elektronów (np. w mikroskopie elektronowym).
W 2. poł. XX w. opracowano wiele metod mat. i doświadczalnych pozwalających na dokładne wyznaczanie położenia atomów w przestrzeni (rozwiązywanie problemu fazowego), co wraz z rozwojem komputerów i metod numerycznych fizyki doprowadziło do znacznego postępu w badaniach strukturalnych substancji. W bazach danych prowadzonych przez różne instytucje nauk. znajdują się obecnie informacje dotyczące prawie 200 tys. kryształów, których struktury określono, i liczba ta co roku powiększa się o kilka tysięcy. Z tego zbioru danych krystalograficznych korzystają wszystkie dziedziny nauki, w których bada się właściwości materiałów: fizyka ciała stałego, chemia strukturalna, mineralogia, farmacja, biologia molekularna, inżynieria materiałowa.
W d.m.b.m. wykorzystuje się najczęściej sprężyste rozpraszanie fal. Towarzyszy mu jednak zawsze rozpraszanie niesprężyste, zachodzące ze zmianą długości fali, stanowiące tło obrazów dyfrakcyjnych. Badanie rozpraszania niesprężystego dostarcza informacji dotyczących m.in. drgań sieci krystalicznej (fononów) oraz stałych siłowych określających wiązania międzyatomowe.
Jan Kozubowski
Bibliografia
J.P. Glusker, K.N. Truebold Zarys rentgenografii kryształów, Warszawa 1977;
Z. Bojarski, E. Łągiewka Rentgenowska analiza strukturalna, Warszawa 1988;
A. Oleś Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, Warszawa 1998.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia