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Inhalt Einleitung I. Spektroskopie II. Beugung III. Bildgebung IV. Sonstige Methoden
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Vorlesung Methoden der Anorganischen Chemie

II. Beugungsmethoden

3. Prinzip der Beugung (Theorie)

Vorlage zu II.3.


% AFP-Seminar alt mit Spielchen zu 2-dim. Beugung !!!!! noch erg"anzen!!! also 2 Fragen f"ur Theorieteil (aus Einleitung) \ding{202} Richtung der positiven Interferenz? Ort der Reflexe? \ding{203} jeweils Intensit"at dazu? \ding{202} {\bf Richtung der positiven Interferenz, Ort des Reflexes} koh"arente, elastische Streuung (in Phase, gleiches $\lambda$) an $e^-$ (f"ur R"ontgen-Strahlung) an Kernen (f"ur n-Strahlung) Elementarwelle geht von jedem Atom des Gitters aus Superposition von Wellen $\mapsto$ bei best. Winkeln positive Interferenz (Reflex) einfacher Spezialfall: rechtwinkliger Einfall (vgl. Optik in Physik) \fbox{Schiebebild} \psfig{figure=./Xfig_bilder/laue.eps,height=3cm,angle=0.} {\bf Laue-Gleichung:} \fbox{$n\lambda=d\sin{\alpha}$} {\bf Bragg'sche Gleichung:} (allgemeiner Fall, schiefer Einfall) \psfig{figure=./Xfig_bilder/bragg.ps,height=3.5cm,angle=-90.} \fbox{ $n \lambda = 2 d sin \Theta$ } n: beliebige Zahl d: Abstand der Streuzentren (Netzebenenabstand der Fl"achen hkl) (aus einfacher Geometrie abzuleiten) $\lambda$: Wellenl"ange Bezeichnung der positiven Interferenz: Reflex, da: Aufpunkt der positiven Interferenz so berechnenbar, als ob Strahl an einer Netzebenenschar reflektiert w"urde Benennung: {\it Miller-Indizes} der Netzebenenschar hkl damit also: Ort eines Reflexes = f(Gittermetrik) Berechnung der Netzebenenabst"ande = reine Geometrie \fbox{V: Bragg} z.B. f"ur orthorhombischen Fall nach Pythagoras: $\frac{1}{d_{hkl}}=\sqrt{ \left( \frac{h}{a} \right) ^2 + \left( \frac{k}{b} \right) ^2 + \left( \frac{l}{c} \right) ^2 }$ bei schiefwinkligen KS komplizierter \ding{203} {\bf Intensit"at der Interferenz/eines Reflexes:} z.B. bei Pulvermethode: \fbox{$I_{hkl}=\mid F_{hkl} \mid ^2 H_{hkl} L P A$} d.h. I abh"angig von: LP (Wellenl"angen- und $\theta$-abh"angige Faktoren) $\mapsto$ Lorentz- und Polarisationskorrekturfaktoren L: Verweilzeit des Reflexes in Beugungsbedingung f(Aufnahmetechnik) P: Korrektur auf Polarisation des Strahls Absorption (A) Lambert-Beersches Gesetz f"ur Dicke, sonst (R"ontgen) Zahl der $e^-$ daher: Pb als Abschirmung, Be als Fenster n: Absorption ohne Bedeutung! Fl"achenh"aufigkeit bei h"oheren Symmetrien: gleiche d-Werte tauchen h"aufiger auf: z.B. kubisch: hkl: 48x so stark wie eine Netzebenenschar h00: dagegen nur 6x $\Uparrow$ bisher keine strukturabh"angigen Gr"o"sen ABER: $\Downarrow$ $F^2$ (Strukturfaktor) R"ontgen: \fbox{$F_{hkl}=\sum_{Atome j} f_j e^{2 \pi i (hx_j + ky_j + lz_j)}$ } $f_j$: Atomformfaktoren = f(Gesamtelektronenzahl, $\lambda$, $\Theta$) $e^{...}$ = Phase = Strukturinformation x,y,z relative Anordnung der Streuzentren zueinander Neutronen: \fbox{$F_{hkl}=\sum_{Atome j} b_j e^{2 \pi i (hx_j + ky_j + lz_j)}$} $b_j$: Streul"angen = f(Kern) alles andere analog also: in Phase steckt Information "uber Atomlagen aber: nur Quadrat messbar!!! $\Longrightarrow$ {\bf Phasenproblem} also: $F^2$ und damit Intensit"at abh"angig von 2 Faktoren: \fbox{1} {\bf Atomformfaktoren/Streul"angen} \fbox{Vorlage} \psfig{figure=./Xfig_bilder/atomformfaktor_streul.ps,width=7.0cm,angle=-90.} \underline{R"ontgen} mehr $e^-$ auf einer Netzebenenschar = gr"o"sere Intensit"at f mit $\theta$ abnehmend Problem mit H-Atomen Problem mit Atomen gleicher oder "ahnlicher e-Zahl \underline{Neutronen} Streul"angen: kein Gang im PSE (Kerneigenschaft) b "uber $\theta$ konstant f(Isotop) kann auch negativ oder komplex werden \fbox{2} {\bf relative Anordnung der Streuzentren zueinander} (Phase: Strukturinfo) u.U. bis zu totaler Ausl"oschung best. Reflexe spiegelt im Extremfall direkt die Symmetrie: allgemein: SE mit t-Anteilen $\mapsto$ system. Ausl"oschung \fbox{Vorlage} Zentrierungen (integrale Ausl., f"ur alle hkl): \hline Symbol & & zus"atzliche & Bedingung f"ur das & & Atompositionen & Auftreten von Reflexen \hline \hline P & primitiv & - & - \hline I & 2 fach primitiv & $x+\frac{1}{2},y+\frac{1}{2},z+\frac{1}{2}$ & h+k+l=2n \hline C & 2 fach primitiv & $x+\frac{1}{2},y+\frac{1}{2},z$ & h+k=2n \hline F & 4 fach primitiv & $x+\frac{1}{2},y+\frac{1}{2},z$ & h+k=2n & & $x+\frac{1}{2},y,z+\frac{1}{2}$ & h+l=2n & & $x,y+\frac{1}{2},z+\frac{1}{2}$ & k+l=2n \hline R & 3 fach primitiv & $x+\frac{1}{3},y+\frac{2}{3},z+\frac{2}{3}$ & -h+k+l=3n & & $x+\frac{2}{3},y+\frac{1}{3},z+\frac{1}{3}$ & \hline Gleitspiegelebenen (zonale Ausl., hk0) \fbox{Cmca} Schraubenachsen (seriale Ausl"oschungen, h00) \underline{Rechenbeispiel:} C-zentrierte Gitter ($I_2$) - jedes Atom bei x,y,z kommt bei x+$\frac{1}{2}$,y+$\frac{1}{2}$,z wieder $\mapsto$ Normierung auf L"angen a, b, c bei Fraktionalkoordinaten weglassen!!! $\mapsto$ Begr"undung braucht reziprokes Gitter $ F_{hkl}=\sum_{j=1}^{N/2} f_j e^{2 \pi i (hx_j+ky_j+lz_j)} + \sum_{j=1}^{N/2} f_j e^{2 \pi i (h(x_j+\frac{1}{2})+k(y_j+\frac{1}{2})+lz_j)}$ $ F_{hkl}=2 \sum_{j=1}^{N/2} f_j e^{2 \pi i (hx_j+ky_j+lz_j)} (1 + e^{2 \pi i (\frac{h}{2}+\frac{k}{2})})$ - immer dann 0 wenn: $- 1 = e^{2 \pi i \frac{h+k}{2}} = e^{\pi i (h+k)}$ - da aber: $e^{-i \alpha} = \cos{\alpha} + i \sin{\alpha}$ = - 1 f"ur $\alpha = \pi, 3 \pi ...$ (cos f"ur ungerade Vielfache von $\pi$) = + 1 f"ur $\alpha = 0, 2 \pi, 4 \pi...$ (cos f"ur gerade Vielfache von $\pi$) = komplex f"ur alle Werte dazwischen

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