Kristallstrukturanalyse
Die Röntgenkristallographie ist eine Möglichkeit, die dreidimensionale Struktur eines Moleküls zu erkennen. Die Elektronenwolke eines Atoms krümmt die Röntgenstrahlen leicht. Dadurch entsteht ein "Bild" des Moleküls, das auf einem Bildschirm zu sehen ist. Sie kann sowohl für organische als auch für anorganische Moleküle verwendet werden. Die Probe wird dabei nicht zerstört.
Die Technik wurde gemeinsam von Sir William Bragg (1862-1942) und seinem Sohn Sir Lawrence Bragg (1890-1971) erfunden. Sie gewannen 1915 den Nobelpreis für Physik. Lawrence Bragg ist der jüngste, der zum Nobelpreisträger ernannt wurde. Er war der Direktor des Cavendish-Labors der Universität Cambridge, als James D. Watson , Francis Crick , Maurice Wilkins und Rosalind Franklin im Februar 1953 die Struktur der DNA entdeckten.
Die älteste Methode der Röntgenkristallographie ist die Röntgendiffraktometrie (XRD). Röntgenstrahlen werden auf einen Einkristall geschossen und die Art und Weise, wie sie gestreut werden, erzeugt ein Muster. Diese Muster werden verwendet, um die Anordnung der Atome im Inneren des Kristalls herauszufinden.
Ein Röntgenbeugungsdiagramm eines kristallisierten Enzyms. Das Muster der Flecken (Reflexionen) und die relative Stärke jedes Flecks (Intensitäten) wird verwendet, um die Struktur des Enzyms herauszuarbeiten.
Ein Röntgenbeugungsdiagramm eines kristallisierten Enzyms. Das Muster der Flecken (Reflexionen) und die relative Stärke jedes Flecks (Intensitäten) wird verwendet, um die Struktur des Enzyms herauszuarbeiten.
Röntgenanalyse von Kristallen
Kristalle sind regelmäßige Anordnungen von Atomen, was bedeutet, dass sich die Atome in allen drei Dimensionen immer wieder wiederholen. Röntgenstrahlen sind Wellen elektromagnetischer Strahlung. Wenn Röntgenstrahlen auf Atome treffen, bewirken die Elektronen in den Atomen eine Streuung der Röntgenstrahlen in alle Richtungen. Da die Röntgenstrahlen in alle Richtungen emittiert werden, erzeugt ein Röntgenstrahl, der auf ein Elektron trifft, sekundäre Kugelwellen, die von dem Elektron ausgehen. Das Elektron wird als Streuer bezeichnet. Eine regelmäßige Anordnung von Streuern (hier das sich wiederholende Muster von Atomen im Kristall) erzeugt eine regelmäßige Anordnung von Kugelwellen. Obwohl sich diese Wellen in den meisten Richtungen gegenseitig aufheben, summieren sie sich in einigen wenigen spezifischen Richtungen, die durch das Braggsche Gesetz bestimmt werden:
2 d sin θ = n λ {\displaystyle 2d\sin \theta =n\lambda } 
Dabei ist d der Abstand zwischen den Beugungsebenen, θ {\displaystyle \theta } 
ist der Einfallswinkel, n ist eine beliebige ganze Zahl und λ ist die Wellenlänge des Strahls. Diese spezifischen Richtungen erscheinen als Flecken auf dem Beugungsmuster, die als Reflexionen bezeichnet werden. Die Röntgenbeugung resultiert also aus einer elektromagnetischen Welle (dem Röntgenstrahl), die auf eine regelmäßige Anordnung von Streuern (die sich wiederholende Anordnung von Atomen innerhalb des Kristalls) trifft.
Der einfallende Strahl (von oben links) bewirkt, dass jeder Streuer (z.B. Elektron) einen Teil seiner Energie als Kugelwelle wieder abstrahlt. Wenn Atome symmetrisch mit einem Abstand d angeordnet sind, addieren sich diese Kugelwellen nur dort, wo ihre Weglängendifferenz 2d sin θ gleich einem Vielfachen der Wellenlänge λ ist. In diesem Fall entsteht ein Reflexionsfleck im Beugungsmuster
Röntgenanalyse von Kristallen
Kristalle sind regelmäßige Anordnungen von Atomen, was bedeutet, dass sich die Atome in allen drei Dimensionen immer wieder wiederholen. Röntgenstrahlen sind Wellen elektromagnetischer Strahlung. Wenn Röntgenstrahlen auf Atome treffen, bewirken die Elektronen in den Atomen eine Streuung der Röntgenstrahlen in alle Richtungen. Da die Röntgenstrahlen in alle Richtungen emittiert werden, erzeugt ein Röntgenstrahl, der auf ein Elektron trifft, sekundäre Kugelwellen, die von dem Elektron ausgehen. Das Elektron wird als Streuer bezeichnet. Eine regelmäßige Anordnung von Streuern (hier das sich wiederholende Muster von Atomen im Kristall) erzeugt eine regelmäßige Anordnung von Kugelwellen. Obwohl sich diese Wellen in den meisten Richtungen gegenseitig aufheben, summieren sie sich in einigen wenigen spezifischen Richtungen, die durch das Braggsche Gesetz bestimmt werden:
2 d sin θ = n λ {\displaystyle 2d\sin \theta =n\lambda }
Dabei ist d der Abstand zwischen den Beugungsebenen, θ {\displaystyle \theta } ist der Einfallswinkel, n ist eine beliebige ganze Zahl und λ ist die Wellenlänge des Strahls. Diese spezifischen Richtungen erscheinen als Flecken auf dem Beugungsmuster, die als Reflexionen bezeichnet werden. Die Röntgenbeugung resultiert also aus einer elektromagnetischen Welle (dem Röntgenstrahl), die auf eine regelmäßige Anordnung von Streuern (die sich wiederholende Anordnung von Atomen innerhalb des Kristalls) trifft.
Der einfallende Strahl (von oben links) bewirkt, dass jeder Streuer (z.B. Elektron) einen Teil seiner Energie als Kugelwelle wieder abstrahlt. Wenn Atome symmetrisch mit einem Abstand d angeordnet sind, addieren sich diese Kugelwellen nur dort, wo ihre Weglängendifferenz 2d sin θ gleich einem Vielfachen der Wellenlänge λ ist. In diesem Fall entsteht ein Reflexionsfleck im Beugungsmuster
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Fragen und Antworten
F: Was ist Röntgenkristallographie?
A: Die Röntgenkristallographie ist eine Technik, mit der die dreidimensionale Struktur eines Moleküls sichtbar gemacht werden kann. Dabei wird ein Bild auf einem Bildschirm erzeugt, indem Röntgenstrahlen aus der Elektronenwolke eines Atoms gebeugt werden.
F: Kann die Röntgenkristallographie sowohl für organische als auch für anorganische Moleküle verwendet werden?
A: Ja, die Röntgenkristallographie kann sowohl für die Untersuchung organischer als auch anorganischer Moleküle eingesetzt werden.
F: Wer sind die Erfinder der Röntgenkristallographie?
A: Sir William Bragg und sein Sohn Sir Lawrence Bragg erfanden gemeinsam die Röntgenkristallographie und erhielten für ihre Entdeckung 1915 den Nobelpreis für Physik.
F: Was ist die älteste Methode der Röntgenkristallographie?
A: Die älteste Methode der Röntgenkristallographie ist die Röntgenbeugung (XRD), bei der ein Einkristall mit Röntgenstrahlen beschossen wird, um ein Muster zu erzeugen, das zur Bestimmung der Anordnung der Atome im Inneren des Kristalls verwendet werden kann.
F: Wurde die Probe während des Röntgenkristallographieprozesses zerstört?
A: Nein, die Probe wird während des Röntgenkristallographieprozesses nicht zerstört.
F: Wer war der Direktor des Cavendish Laboratory, als die Entdeckung der DNA-Struktur gemacht wurde?
A: Sir Lawrence Bragg war Direktor des Cavendish Laboratory an der Universität Cambridge, als die Entdeckung der DNA-Struktur im Februar 1953 von James D. Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins und Rosalind Franklin gemacht wurde.
F: Wer ist der jüngste Nobelpreisträger für Physik?
A: Sir Lawrence Bragg ist der jüngste Nobelpreisträger für Physik. Er erhielt die Auszeichnung 1915 für seine gemeinsame Entdeckung der Röntgenkristallographie mit seinem Vater Sir William Bragg.
