Modern X-ray Structure Determination - Cheatsheet

Geschichte und Entdeckung der Röntgenstrahlen

Definition:

Röntgenstrahlen, entscheidend für die moderne Strukturbestimmung durch Röntgenkristallographie.

Details:

• Entdeckt von Wilhelm Conrad Röntgen am 8. November 1895.
• Röntgen führte Experimente mit Kathodenstrahlen durch und bemerkte leuchtende Effekte auf fluoreszierenden Schirmen.
• Er stellte fest, dass diese unsichtbaren Strahlen durch feste Materialien dringen konnten und fotografische Platten belichteten.
• Bezeichnung als 'X-Strahlen' aufgrund ihrer unbekannten Natur.
• Die Entdeckung wurde zunächst skeptisch betrachtet, aber schnell als revolutionär anerkannt.
• Wilhelm Conrad Röntgen erhielt 1901 den ersten Nobelpreis für Physik für diese Entdeckung.
• Anwendung in Medizin und Materialforschung, Fundament für Röntgenkristallographie.

Bragg'sches Gesetz: Theorie und Anwendung

Definition:

Interferenzmuster von Röntgenstrahlen zur Bestimmung von Kristallstrukturen.

Details:

• Formel: \[ n\lambda = 2d\sin(\theta) \]
• \( n \): Ordnung des Maximums (meistens 1)
• \( \lambda \): Wellenlänge der Röntgenstrahlen
• \( d \): Abstand der Netzebenen im Kristallgitter
• \( \theta \): Einfallswinkel
• Nutzung in der Röntgenstrukturanalyse zur Bestimmung von Gitterabständen und Kristallstrukturen
• Bedingung für konstruktive Interferenz zwischen reflektierten Strahlen

Symmetrie in kristallinen Strukturen

Definition:

Symmetrie beschreibt die regelmäßige, wiederholte Anordnung von Atomen, Molekülen oder Ionengruppen in einem Kristallgitter.

Details:

• Klassifizierung durch Raumgruppen.
• Translation, Drehung, Spiegelung und Inversion als grundlegende Symmetrieoperationen.
• Symmetrieelemente: Symmetrieachsen, Spiegelebenen, Inversionszentren.
• Beispiel für Symmetrieoperation: \( R_n \) für Drehung um n-fachen Rotationsachse.

Rietveld-Analyse-Techniken

Definition:

Methode zur Verfeinerung eines Kristallstruktursmodells basierend auf Röntgenbeugungsdaten.

Details:

• Verwendung in der Materialwissenschaft und Chemie.
• Berücksichtigung des gesamten Beugungsmusters anstatt nur einzelner Reflexe.
• Minimierung der Differenz zwischen gemessenen und berechneten Beugungsmustern mittels kleiner Quadrate.
• Parameter: Gitterkonstanten, Atompositionen, Besetzungen, thermische Verschiebungsparameter.
• Berücksichtigung von Instrumenten- und Probenparametern sowie Hintergrund und Peakformen.
• Mathematische Funktion: \[ Y_i(obs) = Y_i(calc) + \text{Fehler} \]

Validierung und Verifikation der Strukturdaten

Definition:

Kontrollprozess zur Überprüfung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit kristallographischer Strukturdaten.

Details:

• Validierung: Prüfen, ob Strukturdaten den experimental erworbenen Informationen entsprechen
• Verifikation: Sicherstellen, dass Strukturmodelle konsistent und frei von Fehlern sind
• R-Wert: Maß für die Übereinstimmung zwischen dem berechneten und beobachteten Daten (z.B., R1, wR2)
• Geometrische Überprüfung: Überprüfen der Bindungslängen und -winkel
• Elektronendichtekarte: Kontrolle der Übereinstimmung des Modells mit der gemessenen Elektronendichte
• Softwaretools: Verwendung von Programmen wie PLATON, Olex2 oder CheckCIF

Feststoffchemie und Materialcharakterisierung

Definition:

Feststoffchemie untersucht die Struktur, Zusammensetzung und Eigenschaften von Feststoffen; Materialcharakterisierung bestimmt physikalische und chemische Eigenschaften.

Details:

• X-ray-Strukturanalyse zur Bestimmung der Kristallstruktur
• Röntgenbeugung (XRD) analysiert kristalline Phasen
• Elementzusammensetzung mittels EDX, XRF
• Thermische Analyse: DSC, TGA
• Elektronenmikroskopie: SEM, TEM
• Oberflächenanalyse: BET, AFM

Gerätebedienung und Sicherheit im Labor

Definition:

Betrieb und sichere Handhabung von Laborgeräten, Einhaltung von Sicherheitsvorschriften

Details:

• Schutzkleidung: Kittel, Handschuhe, Schutzbrille
• Verwendung nur nach Einweisung
• Fluchtwege und Notausgänge freihalten
• Gefahrenstoffe kennzeichnen und sicher lagern
• Erste-Hilfe-Ausrüstung griffbereit
• Arbeitsplatz sauber und ordentlich halten
• Elektrische Geräte regelmäßig warten
• Notfallnummer bereithalten
• Feuerlöscher und Brandschutzmaßnahmen

Datenverarbeitung mittels spezieller Software

Definition:

Verwendung von spezialisierten Programmen zur Analyse und Interpretation von Röntgenstrukturdaten.

Details:

• Datenreduktion: Vorverarbeitung und Korrektur von Rohdaten (\textit{Scaling}, Absorptionskorrektur).
• Strukturlösung: Bestimmung der atomaren Positionen aus den experimentellen Daten. Methoden: Indexierung, Integration, Phasierung (direkte Methoden, molekulares Ersetzen).
• Verfeinerung: Anpassen des Modells an beobachtete Daten (\textit{Least Squares}, \textit{R}-Faktor, \textit{Fourier-Synthesen}).
• Programme: Beispielhafte Software: SHELXL, OLEX2, CRYSTALS, XDS.