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Röntgenbeugung

 
     
  Röntgenbeugung an Kristallen, bei gerichteter Bestrahlung von Kristallen mit Röntgenlicht (Röntgenstrahlung) durch Interferenz entstehende räumliche Intensitätsverteilung (Beugungsmuster bzw. -diagramm, Beugung), die für die Kristallstruktur charakteristisch ist. Die Entdeckung der Röntgenbeugung an Kristallen geht auf Max von Laue zurück. Das Experiment, das heute unter der Bezeichnung Laue-Methode bekannt ist, wurde von ihm 1912 nach einer Diskussion mit Peter Paul Ewald vorgeschlagen und unter Mitwirkung der Mitarbeiter Friedrich und Knipping in München im Röntgenschen Institut der Universität durchgeführt. Laue erhielt dafür 1914 den Nobelpreis für Physik. Das Experiment lieferte den Beweis für zwei damals in der Diskussion stehende Tatsachen: a) die Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen und b) Kristalle sind dreidimensional periodisch, d.h. gitterhaft, aufgebaut.


Die Entdeckung der Röntgenbeugung an Kristallen hat die Entwicklung der Naturwissenschaften nachhaltig beeinflusst. Röntgenbeugungsmethoden werden heute in den verschiedensten naturwissenschaftlichen Teilbereichen eingesetzt, wie z.B. in der Physik und hier insbesondere in der Physik der kondensierten Materie, in der Halbleiterelektronik, Chemie, Metallkunde, Werkstoffwissenschaften, Mineralogie und Geologie. Ein sehr aktuelles Gebiet ist die Molekularbiologie, die den atomaren Aufbau von Proteinstrukturen durch Röntgenbeugung erforscht. Das Entstehen der Röntgeninterferenzen wird durch die Streuung von elektromagnetischen Wellen an den Elektronen eines Kristalls erklärt. Die Streuung an den Atomkernen kann wegen ihrer der grösseren Masse vernachlässigt werden. Das zeitlich periodische elektrische Feld beschleunigt die Elektronen zu erzwungenen Schwingungen. Nach den Grundgesetzen der Elektrodynamik senden beschleunigte Ladungen wiederum elektromagnetische Strahlung aus. Es handelt sich dabei um elastische Streuung, da die Frequenz der anregenden Strahlung und der Streustrahlung übereinstimmt. Die gestreuten Wellen haben deshalb untereinander feste, zeitlich konstante Phasendifferenzen (Kohärenz), die vom Abstand der Streuer und vom Streuwinkel abhängen. Da der Abstand zum Beobachtungsort gross gegenüber dem Abstand der Streuer (Elektronen) ist, kann man die Streuwellen als ebene Wellen betrachten (Fraunhofer-Näherung). Die sich in verschiedenen Beobachtungsrichtungen überlagernden, kohärenten Streuwellen geben somit ein zeitlich konstantes Interferenzmuster, das Beugungsbild. Es ist die Fouriertransformierte der Elektronendichteverteilung einer Kristallstruktur (Fouriertransformation). Wegen der in Kristallen dreidimensional periodischen Elektronendichteverteilung entstehen nur in ganz bestimmten Richtungen Interferenzmaxima, das sind die sog. Braggreflexe unterschiedlicher Intensität (Laue-Gleichungen, Braggsche Gleichung). Die Beugungswinkel enthalten Information über die Translationsperioden des Raumgitters, die Intensitäten Information über die Verteilung der Elektronen in der Elementarzelle, das ist diejenige Einheit, die, translationsperiodisch fortgesetzt, den Kristall aufbaut. Auf der Auswertung dieser Information beruht die Röntgenstrukturanalyse. Sie geht vor allem auf den Sohn William Lawrence Bragg zurück, der 1913 die ersten einfachen Kristallstrukturen, Zinkblende und einige Alkalihalogenide, mit Röntgenbeugung bestimmt hat. Vater William Henry Bragg und Sohn W.L. Bragg haben 1915 gemeinsam den Nobelpreis für Physik erhalten.
 
 

 

 

 
 
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