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100 Jahre RntgenstrahlinterferenzDr. Semn GorfmanAG Festkrperphysik, Universitt Siegen, Siegen, Germany

Inhalt2. Die Entdeckung der Rntgenbeugung (1912)Das Originalexperiment von Laue , Friedrich und Knipping 1912Die Geburt der Festkrperphysik 3. Was ist ein Kristall ? Struktur und physikalische Eigenschaften von Kristallen4. Moderne Methoden der Rntgenkristallographie1. Entdeckung der Rntgenstrahlen (1895)Was sind Rntgenstrahlen: eine Welle oder ein Teilchenfluss?Beispiele fr Beugung und Interferenz von Wellen1895: Entdeckung der Rntgenstrahlen

Wilhelm Conrad Rntgen Neuer Strahlungstyp, kann leicht ein Matrialen durchdringen.1895

1901Nobelpreis in Physik"in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after him" Rntgenstrahlen = X- Rays

Die erstaunliche Eigenschaft der fr das menschliche Auge unsichtbaren X-Strahlen, die Materie zu durchdringen, blieb in seiner Zeit ohne Erklrung.

Wie bekommt man die Roentgenstrahlen

+-Was ist eigentlich ein Roentgenstrahl?

Fluss der hochenergetischen Teilchen?Eine elektromagnetische Welle? Spektrum der elektromagnetischen Wellen

Wenn die Roentgenstrahlung eine Welle wre (die gleiche Natur wie das sichtbare Licht) dann muesste sie die typischen Welleneigenschaften besitzen! Interferenz / Beugung von WellenInterferenz ist ein physikalisches Phnomen, welches die berlagerung zweier Wellen gleicher Wellenlnge erklrt. Man definiert KONSTRUKTIVE und DESTRUKTIVE InterferenzWichtigster Parameter: Phasenphasenverschiebung zwischen Wellen 1 und 2

Einfaches Experiment: Newtonische RingeRWegdifferenz, d12Waves 1 and 2 addieren sich mit Phasenverscheibung dd = 2p d / l 12

RWeitere Beispiele122 d sin q = n lqql

SubstratDnner FilmdBeugungs-Gittereinfallendes LichtPeriodisches Gitter123NMehr als 2 Wellen berlagern sich. Jede einzelne Welle hat einen kleinen, aber bestimmten, Phasenshift relative zur vorherigen Welle. da

Entstehung von Beuigungsmaxima in periodischen Systemen221d345Periodische Strukturen zeigen hnliche Beugungserscheinungen, wie eine Beugungsgitter.6

Die Idee von Max von Laue (1912)X-rays sind elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlnge viel krzer als die des sichtbaren Lichtes.

Um die Interferenz von X-rays zu beobachten braucht man die Objekten die viel kleienes Periodizitaet haben. KRISTALLENKoennen KRISTALLEN als BEUGUNGSGITTER fuer Roentgenstrahlen benutzbar sein?

d ~ l

Originalexperiment von Laue, Friedrich und Knipping X-ray tubeCollimatorPhotographic filmCrystalAusgestellt im Deutschen Museum in Mnchen

1912: Begin der FestkrperphysikX-Strahlen sind elektromagnetische Wellen mit sehr kurzer Wellenlnge ( ~ 1 = 10-10 m). Kristalle sind periodische Strukturen: die innerkristallinen Abstnde sind von gleicher Grenordnung wie die Wellenlnge der Rntgenstrahlen.Rntgenbeugung ist eine Methode zur Untersuchung der Struktur von Festkrpern !1912: Entdeckung der Rntgenbeugung an Kristallen

Max von Laue 1912

1914Nobelpreis fr Physik"for his discovery of the diffraction of X-rays by crystals" 1912 ist das Geburtsjahr der modernen FestkrperphysikLaue-Beugungs Bilder (Universitt Siegen)

a-Quarz Kristall (SiO2)

Bragg PeaksLaue-Beugungsdiagramm eines Proteinkristalls

John Helliwell, University of Manchester, UKDie erste gelste Kristallstruktur

1915Nobelpreis fr Physik"for their services in the analysis of crystal structures be means of X-rays "

Sir William Henry BraggWilliam Lawrence BraggDie Anordung der Atome in NaCl, KCl, LiF wurde erstmalig nachgewiesen

Was ist ein Kristal?

http://www.SNOWCRYSTALS.comOriginal (aus dem Grichischen), CRYSTAL = natrliches EisWichtige Besonderheiten von KristallenEr zeigt natrlich ausgebildete Seitenflchen Die Winkel zwischen diesen Sietenflchen ist fr ein und dieselbe Substanz immer gleich. (Gesetz der Winkelkonstanz)2. Die physikalische Eigenschaften sind nicht in allen Richtungen gleich (Anisotropie) Richtungsabhngigkeit der physikalische EigenschaftenLebende Beispiele anisotroper physikalischer EigenschaftenScheiden eines Tuches ist typisches Beispiel fr RichtungsabhngigkeitUrsache ist die spezielle STRUKTUR der Maschen

Bindung

~ 1 mm=10-3 mDurch das Stricken einer Wolldecke erzeugt man einen Kristall

Kristallstruktur und Anisotropie

-Typisches Beispiel: Hrte von Kohlenstoff Materialien

GraphitDiamantHrtestes bekanntes MaterialWeich entlang nur einer Richtung

Struktur = EigenschaftenCCBeispiele fr unterschiedliche Kristallstrukturen

Eine spezielle physikalische Kristalleigenschaft:PIEZOELEKTRIZITT

Piezoelektrizitt ist ein physikalisches Phnomen ausgewhlter Kristalle, bei der unter Druck elektrische Ladungen auf den Auenflchen des Kristalls generiert werden.

PIEZOELEKTRIZITT HEUTE

Transducers, actuatorsQuart UhrenCar fuel injectors

Mikroprozessoren

Wege-SensorenBestimmung von Kristallstrukturen mittels RntgenbeugungsverfahrenRntgenstrahl

Beugungsbild

50 mm

Datenanalyse

KristallstrukturModerne Rntgendiffraktometer

Rntgenquelle Kristall HalterDETEKTOR fr RntgenstrahlenGoniometer mit Motorenflssiger Stickstoff zumKhlenOptische Kamera~ 250 000 Seit der Entdeckung der Rntgenbeugung wurden Tausende Kristallstrukturen experimentell bestimmt.

Die umfangreichste Datenbank fr Kristallstrukturen (Cambridge Structural Database) enthlt mehr als 500 000 Eintrge

Moderne Herausforderungen fr die Kristall-Strukturanalyse

blue-tongue virusnucleosome30S Ribosom Untereinheit~50 000 AtomeUntersuchung der Struktur als Funktion der Zeit

Structurelle Vernderungen unter Einfluss eines angelegten elektrischen FeldesElektrisches Feld (E=4000 kV/mm) ist in [110] Richtung angelegtPGaOChirality: Rechts-und Links Formen

Hndigkeit (chirality) ist eine Eigenschaft geometrischer Figuren, die in zwei gespiegleten Versionen existieren : rechts und links. Beide knnen durch eine Spiegelung ineinander berfhrt werden. mmRechtsLinks

LinksRechts

Rechts- und Links Formen in a-Quarz

RechtsformLinksformWarum der rger mit der Chiralitt?Wie unterscheiden sich beide Formen bezglich ihrer Eigenschaften?

Wichtigste Beispiele in der pharmazeutischen Industrie: Thalidomide ist ein Medikament, welches besonders zwischen 1955 und 1960 zur Beruhigung schwangerer Frauen verabreicht wurde. Leider hat das Medikament zur Geburt von mehr als 10000 missgebildete Babies gefhrt.Whrend die rechts Form des Thalidomide molecule hat heilende Wirkung, die links Form fhrte zu den Fehlbildungen Messung der Chiralitt durch zirkular polarisierte Rntgenstrahlung

Rechtsform von zirkular polarisiertem LichtLinksform von zirkular polarisiertem Licht

Messung der Chiralitt durch zirkular polarisierte RntgenstrahlungNeue Quellen von RoentgenstrahlungViel hoehere Intensitaet von RoentgenstrahlungEinstellbare Wellenlaenge (Energie)Einstellbare PolarizationszustandSynchrotron Radiation

ESRFDie grten Synchrotronquellen

EuropeanSynchrotronRadiationFacilityGrenoble, FranceAdvancedPhotonSourceIn Argonne nationallaboratoryChicago, USASPring 8Harima, Japan

The energy of electrons in the storage ring is 8 GeVEigenschaften von SynchrotronstrahlungHohe Intensitt (brilliance)Die Intensitt eines Synchrotronstrahls ist um viele Grenordungen grer als die einer Rntgenrhre.

2. Groe spektrale BreiteDie Energien (Wellenlngen) der Photonen, die von einem Synchrotron emittiert werden, reichen vom Infraroten (1m) bis in den Bereich der weichen g-Strahlung (0.001 nm).

Sichtaberer Anteil eines SynchrotronstrahlsWeitere Eigenschaften der Synchrotronstrahlung3. Kontrollierte EigenschaftenWellenlnge, Polarization und spektrale Eigenschaften sind genau vorhersagbar und einstellbar. 4. Natrliche Kollimation Synchrotronstrahlung ist von Natur aus in der vertikalen Ebene kollimiert. Divergenz betrgt nur wenige Bogensekunden.

Synchrotrons der WeltEurope: 26 America: 18 Asia: 25 Australia: 1Das neueste Synchrotron : Diamond

Didcot, UK www.diamond.ac.ukDas allerneuste Synchrotron : PETRA III

Ring circumference : 2.3 kmEnergy: 6 GeVwww.hasylab.euEIn weiteres neues Synchrotron : SSRF

Shanghai, ChinaDas spanische Synchrotron : ALBA CELLS

Energy: 3 GeVFirst phase beamlines: 7Second phase beamlines: 8Auswirkungen der Entdeckung der RntgenstrahlenWir wissen, dass Rntgenstrahlung eine Welle ist Wir wissen jetzt, wie Kristalle aufgebaut sindRntgenbeugung ist heute eines der wichtigsten Experimente, welches in der Physik, Chemie, Biologie, Pharmazie u.a. stndig angewendet wird. Es werden immer leistungsfhigere Quellen gebaut, um diese Experimente effektiver zu machen.

Es lohnt sich Physik zu studieren!