Grundlagen der Röntgenbeugung ehemals Basiskurs Kristallographie und Beugung Termin: 25.03.-28.03. sowie 02.04.2024, jeweils 13 bis 18 Uhr Ort: SR 04 002

In diesem Kurs werden wir die Grundlagen der Charakterisierung von Festkörpern durch Beugungsmethoden (Pulver und Einkristall) besprechen. Dazu ist - ausgehend von den Kenntnissen zu Punktgruppen aus dem BSc.-Studium - zunächst eine Einführung in die Kristallographie vorgesehen (2 Tage). Es folgen die physikalischen und technischen Prinzipien der Erzeugung, Monochromatisierung und Detektion von Röntgenstrahlung. Im Abschnitt Theorie der Beugung geht es um die Faktoren, die den Ort bzw. die Intensitäten von Reflexen bestimmen. Die Auswertungen von Pulverdiffraktogrammen durch Datenbankabgleich, Indizierung und Rietveld-Verfeinerung werden ebenso besprochen wie die Prinzipien der Strukturlösung (Phasenproblem) und -verfeinerung von Einkristalldaten. Neben Vorträgen gibt es im Sommersemester (Di, 11-13 Uhr?) dazu begleitende Übungen (z.T. am Rechner), und eine Besichtigung der Geräte.

Martin Ade, Caroline Röhr

Programm

• mit Links zu vorhandenen Materialien
• (Kap. XX.Y beziehen sich auf die alte Vorlesung Methoden der Anorganischen Chemie)
• alle Materialien von Herrn Martin Ade im Ilias

Montag: Kristallographie I

• 1. Einleitung: Beugung im Vergleich mit anderen Methoden der Strukturcharakterisierung (C.R.)
• Präsentation
• Einleitung, Beugung im Vergleich zu anderen Charakterisierungs-Methoden
• Links und Materialien
• Energien, Einheiten, Methoden(gruppen) (SVG, VL 1.1)
• Spektren allgemein (SVG)
• Vorlagen
• 0: Inhaltsübersicht, Literatur und Programme
• 1.1: Energien und Methoden
• 1.2: Methodengruppen und Informationen
• dazu aus der Vorlesung 'Methoden der Anorganischen Chemie'
• Einleitung
• 2. Punktgruppen/Kristallklassen: Schönflies- und Hermann-Mauguin-Nomenklatur (C.R.)
• Präsentation
• Wiederholung einfache Symmetrieoperationen, Punktgruppen
• Links und Materialien
• Vorlagen
• 2.1: Drehachsen
• 2.2: Spiegelungen, Drehinversionachsen
• 2.3: Stereographische Projektion, Beispiele
• 2.4: Benennung von Kristallklassen
• 2.5: Tabelle 2/3-dimensionale Kristallklassen, Schema zur Punktgruppenbestimmung
• 2.6: Beispiele C_nv
• 2.7: Beispiele C_nh
• 2.8: Beispiele D_n
• 2.9: Beispiele D_nh
• 2.10: Beispiele D_nd und S_n
• 2.11: Beispiele Tetraeder- und Oktaedergruppen
• 2.12: Platonische und archimedische Körper
• dazu aus der Methoden- bzw. Symmetrie-Vorlesung
• Grundlagen der Symmetrielehre (Punktgruppen) (Kap. I.6)
• Vorlesung Symmetrie: Anwendung in der Chemie (nur Materialien)
• und daraus Kapitel 2.5.1. Moleküle und 2.5.2. Kristallgeometrie
• Symmetrie, Mathematik dazu (PDF)
• Symmetrie in der Quantenchemie (PDF) (aus dem M+K-Kurs Quantenchemische Rechenmethoden)

Dienstag: Kristallographie II

• 3. Kristallographie I: Translationssymmetrie (Kristallgitter, Punkte, Richtungen, Flächen im Gitter, Miller-Indizes) (M.A.)
• Vorlagen (MA)
• 3.1. Kristallgitter, Translationssymmetrie, 2-/3-dimensionale Translationsgitter
• 3.2. Flächen, Richtungen und Punkte im Gitter
• dazu aus der Methoden-Vorlesung
• Grundlagen der Kristallograhie (Kap. II.2)
• 4. Kristallographie II: Raumgruppen Grundlagen und Beispiele, Internationale Tabellen (M.A.)
• Vorlagen
• 4.1: Translation, Flächengruppen
• 4.2: Beispiel Flächengruppen
• 4.3: Kristallographische Symmetrieelemente
• 4.4: Liste der Raumgruppen
• 4.5: IT, Beispiel Raumgruppe
• dazu aus der Methoden-Vorlesung
• Grundlagen der Kristallograhie (Kap. II.2)

Mittwoch: Röntgenbeugung I

• Raumgruppen, Strukturdiskussion
• Links und Materialien
• Rutil (VRMLs bei Anklicken der Symmetrielemente)
• Iod (VRMLs bei Anklicken der Symmetrielemente)
• Symmetrie, Strukturdiskussion, Struktur-Eigenschafts-Bezüge (AFP-Seminar 5.2006, nur Materialien)
• freies Strukturzeichenprogramm DRAWxtl
• weitere kristallographische Daten z.B. von ICSD fürs WEB (Demo-Version mit freiem Subset der Datenbank)
• 5. Prinzip der Beugung Laue/Bragg-Gleichung, reziprokes Gitter, Ewald-Konstruktion (C.R.)
• Präsentation
• Bragg'sche-Gleichung, Lauegleichung usw. (Ort der Reflexe)
• dazu aus der Methoden-Vorlesung
  • Kap. II.3: Prinzip der Beugung
• weitere Links:
  • Zum Erinnern an die Wellenoptik (Physik, Beugung am Spalt und am Gitter) helfen Programme wie 'ripple' oder 'slit' von der Webseite www.falstad.com
  • Crystallography-Seite der EPFL: Viele schicke Java-Applets zur Kristallographie und Beugung
  • Teaching Guide X-Ray and Neutron Diffraction von Th. Proffen und R. B. Neder von der Univ. Erlangen (derzeit leider Offline; lokale Kopie)
  • und es gibt noch ein altes Filmchen zum Thema ...

    Prinzip der Beugung (Film aus dem LA-F-Praktikum, WS2021) (247MB|MP4|H264|45 min)

• 6. Experimentelles Erzeugung, Monochromatisierung und Detektion von Röntgenstrahlung, Diffraktometrie (Pulver und Einkristall) (M.A.)
• dazu aus der Methoden-Vorlesung
• Röntgen- und Neutronenbeugung an Pulvern (Kap. II.4)
• Besichtigung der Röntgeneinrichtungen in der AC (M.A.,C.R.)
• 7. Pulverdiffraktometrie I Indizierung von Pulverdiffraktogrammen I (M.A.)

Donnerstag: Röntgenbeugung II

• 8. Intensitäten Auslöschungsbedingungen, Symmetrie im reziproken Raum (M.A.)
• 9. Pulverdiffraktometrie II Rietveld-Methode (M.A.)
• Präsentation
• Rietveldmethode (sehr alte Fassung)

Dienstag nach Ostern: Röntgenbeugung III

• 10. Einkristallstrukturbestimmung (C.R.)
• Präsentation
• Einkristallstrukturanalyse
• Vorlagen
• 10.1: Einkristallstrukturbestimmung
• dazu aus der Methoden-Vorlesung
• Einkristallstrukturbestimmung (Kap. II.5, unvollständig)

• Freie Programme zur Strukturdarstellung
  • Vesta (Quellen, Linux, Windows, macOS; kann auch Kristallformen, Elektronendichten etc.)
  • Mercury (Linux, Windows, macOS; Strukturdarstellungsprogramm der CCDC)
  • Platon (A.L.Spek, Quellen, Linux, Windows, Raspberry, Mac-OS; kann fast alles, u.a. auch Strukturen zeichnen. Andere Programme wie Pluton, Ortep usw. sind enthalten. Diese bitte korrekt zitieren!
  • Ortep, kann auch Schwingungsellipsoide, das UR-Programm der Strukturdarstellung (Original C. Johnson aus dem Jahr 1965, Spiegel auf ruby)
  • ORTEP für Windows
  • Rasmol, ideal für Moleküle und Proteine
  • XTAL 3.7, mit kompletten Strukturbestimmungpacket
  • DRAWxtl mit graphischer Oberfläche (für alle Bilder auf ruby verwendet)
  • Programme zum Verarbeiten/Betrachten von VRML und POV
    • The VRML-Respository alles zu VRML, mit Links zu Betrachtern für alle Plattformen und hier lokal verfügbare Binaries
    • POV-ray Persistence of Vision zum Rendern der POVs
  • ShelXle, Frondend für Shelx, Registierung erforderlich)
• Programme zur Pulverauswertung
  • GSAS-II (Komplettes Rietveld-Paket)
  • Übersicht von CCP14 zu Indizierungsprogrammen
  • SDPD Strukturbestimmung aus Pulverdaten, Le Bail
  • CMPR
  • MAUD
• Datensammlungen
  • ICSD (nur im Uni-Netz/VPN)
  • PDB Protein-Database (freier Zugang, Darstellungen z.B. mit dem Java-Applet jmol)
  • CSD/CCDC (Cambridge Structure Database)
  • Pearson
• Vorlesungen/Tutorials (extern)
  • Interactive Tutorial about Diffraction (Proffen, Neder, Univ. Erlangen)
  • School of Crystallography Birkbeck College, University of London

• Walter Borchert-Ott: Kristallographie, Eine Einfürung für Naturwissenschaftler, Springer, 2009.
• International Tables for Crystallographie, IUCR (zum Nachschlagen).
• Werner Massa: Kristallstrukturbestimmung, Springer, 2015 (auch als E-Book).
• Harald Krischner: Einführung in die Röntgenfeinstrukturanalyse, Vieweg, 1987.
• C. Hammond: The Basis of Crystallography and Diffraction, IUCR, Oxford Science Publications, 2001.