Röntgendiffrakció Kardos Roland 2010.03.08.
Előadás vázlata Röntgen sugárzás Interferencia Huygens teória Diffrakció Diffrakciós eljárások Alkalmazás
Röntgen sugárzás 1895 röntgen sugárzás felfedezés (1901 Nobel díj) -Sugárzás hullámhossza: 0,01-10 nanométer -Sugárzás energiája: 0,1-100 kev -Erős ionizációs hatás Wilhelm Röntgen Röntgen feleségének keze
Röntgen sugárzás spektruma Folytonos spektrumú sugárzás (Bremsstahlung) Karakterisztikus sugárzás Röntgen cső Tipikus röntgen spektrum Karakterisztikus sugárzás keletkezése
Interferencia Különböző forrású, koherens hullámok találkozásakor lejátszódó fizikai jelenség! Konstruktív Destruktív
Huygens teória Hullámfront minden egyes pontja felfogható, mint pontszerű hullámforrás! Christiaan Huygens (1629-1695) Egy rés interferencia kép
Diffrakció (fényelhajás) Thomas Young (1773-1829) 1803 kettős rés kísérlet fény hullám természetű!
Hogyan alakul ki a diffrakciós mintázat Konstruktív interferencia feltétele: a diffraktált fénysugarak azonos fázisban találkoznak d sin Θ = n λ Ha növeljük a rések közti távolságot az intenzitás pontok közelebb esnek egymáshoz! d ~ 1 sin Θ
Optikai rács 0,1 mm magasság 3000 rés/mm 3 és 5 réses optikai rács. Több rés élesebb pontok Négyzet alakú rés diffrakciós képe. Kereszt alakú rés diffrakciós képe.
Röntgen diffrakció elméleti felismerése 1912 a röntgen sugárzás hullámhossza összemérhető az atomok közti távolsággal a kristályon belül. Kristály mint 3 dimenziós optikai rács! Max von Laue (1879-1960) 1914 fizikai Nobel díj! Réz-szulfát kristály diffrakciós mintázata.. Az első röntgen diffrakciós kísérlet sematikus elrendezése.
Miért képes a kristály diffraktálni a fényt? Az atomok, ionok, molekulák szabályosan ismétlődő elrendeződése az anyag szerkezetében. c b a Elemi cella: ismétlődő geometriai mintázat Rács pont: atom, ion, molekula
Atomok közti távolság s s Laue egyenletek Beeső röntgen sugárzás Diffraktált röntgen sugárzás Három dimenzióra: sa = a (cosαn cosα0) = b (cos βn cos β0 = l λ = c (cosγ n cosγ 0 = m λ b ) c ) AB Úthossz különbség: s = AB α CD = a cos CD = a cosα n 0 Konstruktív interferencia feltétele: sa = a (cosαn cosα0) = k λ k=0,1,2,3.. = Ez csak egy dimenzió! k λ Mindhárom egyenletnek egyszerre kell teljesülni!
Bragg egyenlet William.H Bragg (1862-1942) W. L.Bragg (1890-1971) 1915 Fizikai Nobel díj Bragg egyenlet Kristály síkok tükörként viselkednek! 2 d sinθ = n λ Konstruktív interferencia feltétele! A röntgen sugár elhajlási szögéből(θ) kalkulálható a kristály síkjai közti távolság(d)!
Az első röntgen spektrofotométer. NaCl kristály szerkezetének meghatározás. Ionos kötés felfedezése!
A diffrakciós mintázat hátterében szóródási jelenség áll. Röntgen sugarak elasztikusan szóródnak az atomok elektronfelhőin (Thomson szórás). A szórás mértékét az atomok körüli elektronfelhő határozza meg!
Röntgen diffrakciós eljárások Egy kristály módszer (Röntgen krisztallográfia) - Egy jó minőségű kristály (100 µm) - Monokromatikus (általában) röntgen sugárzás alkalmazása - Inorganikus anyagok és makromolekulák (pl. fehérjék, nukleinsavak) atomi struktúrájának meghatározása - Goniométer (minta forgatása) Pordiffrakciós módszer - Monokromatikus sugárzás alkalmazása - Polikristályos minta por alakban (különböző orientáció) - Ismeretlen kristályos minta azonosítása International Centre for Diffraction Data (ICDD) Rost diffrakciós módszer DNS struktúrájának meghatározás Cink-szulfát diffraktogramja.
Diffraktométer részei Sugárforrás: - Röntgen cső - Szinkroton tároló gyűrű Goniométer Detektor: - fényérzékeny film - CCD (couple-charged device) Diffraktométer Röntgen cső Goniométer
Röntgen diffrakció kísérleti elrendezése
Szervetlen anyagok vizsgálat röntgen diffrakcióval 1920-as évekig szervetlen anyagok szerkezetének meghatározás. Kristály szerkezetek feltárása Kémiai kötések mélyebb megismerése. Atom sugarának meghatározás. Gyémánt-tetraéder elrendeződés kovalens kötésekkel Grafit: hexagonal elrendeződés delokalizált elektronokkal Gyémánt és grafit kristály szerkezete
Fehérjék vizsgálata röntgen diffrakciós eljárással 1958 első fehérje atomi struktúrájának meghatározása Max Perutz és Sir John Cowdery Kendrew 1962 kémiai Nobel díj Bálna mioglobin Dorothy Crowfoot Hodgkin inzulin atomi struktúrájának meghatározása (30 év)! Több tízezer fehérje szerkezetének meghatározása Fehérjék atomi koordinátái szabadon hozzáférhetők: www.pdb.org Hatékonyabb gyógyszerek tervezése Inzulin
DNS röntgen diffrakciós képe 1953 James D. Watson és Francis Crick DNS modell DNS röntgen diffrakciós képe
Köszönöm a figyelmet!
DNA 1953 Rosalind Franklin DNA double helix X-ray diffraction pattern of DNA 1953 James D. Watson és Francis Crick DNA model T-A (2 hydrogen bonds) C-G (3 hydrogen bonds)
NATURE-1953 1962 Nobel prize Robert Obly s-the path to the double helix JamesD. Watson-Double helix
Methods to study protein structure (X-ray diffraction) Sperm Whale myoglobin Observing the scaterred intensity of an X-ray beam hitting a crystalline materials as a function of incident and scattered angle.. Bragg-equation: 2d cosα = n λ Max Perutz és Sir John Cowdery Kendrew 1962 Nobel Prize in chemistry