Wednesday, October 5, 2011

Röngtenkristallograafiast



Sarnaselt teiste laineliselt käituvate kiirgustega ja osakestega (elektronid, neutronid jts) saab röngtenkiirgust kasutada materjalide siseehituse nähtavaks tegemiseks. Materjal ise toimib kiirgusele diffraktsioonivõrena. Kuna kiirguse lainepikkus peab olema väiksem otsitud struktuuri mõõtudest, siis ei kõlba kristallstruktuuri täpsemaks uurimiseks nähtav valgus vaid umbes molekulide pikkuse lainepikkusega röngtenkiirgus. Üldiselt mida väiksem lainepikkus seda väiksemaid struktuure võib selle kiirguse leida kuid olulise piiranguna on väiksema lainepikkusega kiirgused keemiliselt aktiivsed. Struktuuri tuvastamine eeldab korrapärast kristallstruktuuri kuid ioniseeriv kiirgus põhjustab samas soojenemist, elektronide lahti löömist, molekulide lagunemist ja uute molekulide teket.


Aatomid ja elektronid tekitavad pärast footoniga pihta saamist hajusalt eri suundades selle kiirguse eritumist. Need footonid summutavad üksteist tihti interferentsiga kuid Bragg'i seaduse poolt kirjeldatud asukohtades liituvad need interferentsiga ja tekitavad intentsiivsema kiirguse jälje. 


Röngtenkiirguse lainepikkus 0,1-10 nanomeetrit sobib kristallide uurimiseks kuna tavaliselt on nende korduvate kihtide kaugused (d) umbes sama suured. Detailsus oli varasemates katsetes piisav aatomite raadiuse leidmiseks. Soojusliikumine ei muuda mustreid väga palju kuid soojuse tekitatud liikumine jätab jälje, millega saab selle ulatust leida. 
Ultraviolettkiirgus on liiga suure lainepikkusega, et aatomite asukohtasid eristada. Gamma kiirgust on raske korraga kindla sagedusega toota ja see reageerib ainetega liiga energiliselt. Röngtenkiirguse asemel võib kasutada elektrone või neutroneid kuid need mõjutavad saadud pildil olevaid mustreid ning võimaldavad erinevaid struktuure näidata.
Struktuuri tuvastamiseks ei piisa ühe nurga all tehtud pildist ja vähemalt 180 kraadi ulatuses tuleb teha palju pilte iga väikese nurga muutmise järel. 

Ühe esimese materjalina saadi pilt vasksulfaadist (pildil). Fotoplaadil tekkisid keskse kiire ümber tumedad täpid, mis asusid umbes ringides. Keskele jääb põhikiire jälg. Tekkinud laigud sõltuvad elektronide tihedusest materjalis. Footonite elektromagneetiline käitumine avaldab rohkem mõju laenguga osakestele. Prootonite mõju röngtenkiirtele on väike kuna sellise igas suunas hajutatud kiirguse intentsiivsus langeb seosega üks/(laenguga osakese mass ruudus). Prootoni mass on ~1800 korda suurem elektroni omast ning selle poolt hajutatud kiirguse intentsiivsus on sellise seosega miljoneid kordi nõrgem elektroni omast. Seetõttu on röngtenkristallograafias leitavad peaaegu ainult elektronide tekitatud jäljed.

Üldiselt kaldub diffraktsioonil kiirgus seda rohkem kõrvale mida kitsam oli pilu võrreldes lainepikkusega (kalkulaator). Näiteks kui 1 nanomeetrise lainepikkusega röngtenkiirgus läbib 1 nanomeetrise avause, siis kaldub kiir kõrvale 30 kraadise nurga all. Kui sama kiirgus läbib 2 nanomeetrise ala, siis kaldub see kõrvale ~15 kraadi. Kui lainepikkus on 2 korda suurem kristallstruktuurist, siis kaldub see kõrvale 90 kraadi ning suuremat kõrvalekallet diffraktsioonil ei paista.


DNA kristallstruktuuri foto. Aluspaaride vaheline kaugus on 0,34 nanomeetrit ja kaksikheeliksi täispööre toimub iga 3,4 nanomeetri järel. Samas pildil asuvad kaksikheeliksi pöörded pisemalt x kujuliselt keskel ja lähestikkused aluspaarid on pildil nähtavad kahe suure tumeda laiguga ülal ja all. Selline mõõtude näiline vahetumine toimub kuna röngtenkristallograafia pildid saadi läbi diffraktsiooni. Pisemate struktuuride vahelt (nagu aluspaarid) läbimisel kaldub valgus rohkem kõrvale kui suurte struktuuride läbimisel mistõttu suured struktuurid on sellistel piltidel väiksemalt keskel ja reaalsuses pisistruktuurid pildil suurelt ja keskosast kaugemal.

No comments:

Post a Comment