결정 구조는 어떻게 결정됩니까?

결정 구조는 X- 선 회절에 의해 결정된다. 엑스레이 빔은 결정에 부딪히고 회절 패턴은 구조를 연구하는 데 사용됩니다.

물질은 내부 구조를 기반으로 두 가지 범주로 분류 될 수 있습니다. 비정질 재료는 장거리 순서와 구조적 대칭이 부족한 물질이며, 결정질 구조는 장거리 및 대칭에 걸쳐 반복되는 분자 구조를 갖는 것입니다. 고체와 액체는 결정질 및 비정질 구조를 나타냅니다.

분자 구조의 차이는 비정질 고체와 결정질 고체의 차이를 담당합니다.

테이블 소금, 다이아몬드, 눈송이, 석영, 실리콘-게르마늄 반도체, 단백질 등과 같은 기능적, 경제적, 미적 가치의 많은 물질은 구조에서 결정질입니다. 그들의 구조를 결정하고 그것들을 분류하는 것은 그들의 물리적 및 화학적 특성을 많이 설명합니다.

예를 들어, LCD 기술은 조명을 조절하는 전기장 (편광, 진폭 또는 위상)을 통과시켜 전기장을 변경하여 구조를 변형하여 구조를 수정하는 액정을 사용합니다. 다양한 단백질의 혼합물을 포함하는 운동 보충제는 위조품보다는 진정한 것으로 확인 될 수 있습니다.

이러한 장치의 개발에는 결정 구조에 대한 이해와 주어진 물질의 물리적 및 화학적 특성에 미치는 영향이 필요합니다.

결정 구조 기본

루빅스 큐브를 상상해보십시오. 더 작고, 불가분하며, 동일한 큐브로 구성되어 있습니다. 이 작은 큐브를 단위 셀이라고합니다. 마찬가지로, 모든 결정은 축적 될 때 결정의 대부분을 구성하는 단위 세포를 가지고있다. 단위 셀의 형상을 이해하려면 격자의 개념을 소개하는 것이 중요합니다. .

격자는 정기적 인 배열 입니다 모든 방향으로 무한히 확장되는 점/점의. 이 격자의 임의의 모든 지점은 모든 방향 (대각선 및 옆으로)의 다른 지점으로 둘러싸여 있습니다. 이 포인트는 실제 3D 공간의 추상 실현 역할을합니다. 이 지점은 큐브, 육각형 프리즘, 입방체, 롬보이드, 사면체 등과 같은 다른 모양을 형성하기 위해 함께 결합 될 수 있습니다.

많은 상이한 3-D 구조는 상이한 결정에 대한 단위 세포로서 작용한다. 그들은 서로 다양한 각도로 기울어 진 평행 평면 세트 세트를 가지고 있으며, 이는 다른 광학적 특성을 제공합니다. 결정 평면 사이의 거리는 약 ~ 10-10m (피코 미터)입니다.

따라서, 유사한 파장의 빛이 사용될 수 있다면, 결정 평면은 빛의 회절을 유발하고 회절 패턴을 초래할 것이다. 이 회절 패턴은 단위 유형의 단위 셀에 대해 상이합니다. X- 선은 10-10m에서 10-9m 범위의 파장을 가지므로 결정과 상호 작용할 때 회절을 겪게됩니다.

결정 구조를 연구하기위한 X- 레이의 사용을 X- 선 결정학이라고합니다.

Miller Indices

3D 좌표 축에 배치 된 단위 셀을 상상해보십시오. 단위 셀에는 모든 방향으로 연장되는 평행 평면 세트가 있습니다. 평면은 좌표 축과 평행 할 수도 있고 아닐 수도 있습니다. 평면과 축이 평행 한 경우, 둘과 인터셉트 (평면이 축을 교차하는 지점)의 교차점이 없을 것입니다. 그러나 평행하지 않으면 평면은 결국 좌표 축을 교차시키고 절편은 유한합니다.

3 개의 좌표 축이 있으므로 결정의 평면 방향을 측정하려면 3 개의 절편이 필요합니다. ( x, y, z 과 함께 크리스탈 평면의 절편을 보자. ) 축은 (p , q, r 입니다 ), 각각. Miller Indices -

크리스탈 평면의 방향을 제공하십시오. 1/p 이후 1/Q 및 1/r p, Q 의 LCM입니다 및 r ( h, k, l 를 곱합니다 ) 정수.

음영 평면의 밀러 지수가 언급되어 있습니다. 예를 들어, 왼쪽 상단 코너에서 첫 번째 평면 (0, 0, 1)을 가져갑니다. 평면은 (x, y) 축과 평행하며, 절편 (또는 무한)이 없습니다. 따라서 (h, k) =(1/p, 1/q) =(1/, 1/) =(0, 0). 평면은 어느 지점에서 z 축을 절단하며, 그 중 l =1/c. LCM (=C)에 곱하고 L =C (1/C) =1. 따라서 (H, K, L) =(0, 0, 1). (사진 크레딧 :McSush/Wikimedia Commons)

격자 파라미터 a 를 갖는 입방 단위 셀의 경우 (가장자리 길이), 두 평행 평면 사이의 거리는 (연간 거리)-

.

X- 선 결정학

X- 선 결정학의 널리 사용되는 두 가지 방법, 즉 회전 결정 방법 및 분말 방법이 있습니다. 둘 다, 원리는 넓게 동일하며, 즉 X- 선으로 결정 샘플을 비추고 결과 빔의 회절 패턴을 연구하여 구조 정보를 유추한다.

회전 결정 회절 방법

X- 선 회절 장치. (사진 크레딧 :Drbostefanov/Wikimedia Commons)

평면 방향이 알려지지 않은 순수한 결정 샘플은 홀더에 배치됩니다. 튜브로부터의 X- 선 빔 (평행 광선 수집)은 분말 결정에 부딪칩니다. 결정은 다중 축을 중심으로 회전 할 수 있으며, 이는 들어오는 X- 선 빔과 관련하여 다른 결정 방향을 허용합니다.

비행기 거울을 때리는 빛의 광선을 상상해보십시오. 광선이 거울과 평행을 이루면 반사가 없지만 광선이 거울과 관련하여 각도로 기울어지면 반사됩니다. 유사하게, X- 선 빔이 결정 평면과 평행 한 경우, 결정과의 상호 작용없이 통과 할 수 있으며 회절은 발생하지 않을 것이다. 그러나 평면과 빔이 기울어지면 강한 회절 패턴이 관찰 될 것입니다.

거리 d 로 분리 된 두 개의 평행 평면을 상상해보십시오 . X- 선 빔이 결정에 도달함에 따라, 평행 평면 세트는 별도의 평행 거울 세트 역할을한다. 연간 거리는 d입니다. 빔이 결정에 도달하면 구성 광선은 두 평면에 도달하기 위해 다른 길이를 이동해야합니다 (비행기는 d 로 분리되기 때문에 ). 이것은 경로 차이를 소개합니다 두 광선 사이의 (이동 거리의 차이)

경로 차이의 변화는 X- 선의 위상차의 변화를 해석합니다. 따라서, 위상 차이가 있고, 같은 방향으로 이동하고, 같은 주파수를 갖고, 서로를 과첩하고, 간섭 을 유발합니다. . 이 간섭 패턴 (일련의 강도 피크 및 최저치)은 사진 플레이트에 기록됩니다. 일련의 강도 피크와 최저는 중심점에 고르게 분포됩니다.

Bragg의 방정식 다이어그램. (사진 크레딧 :Hydrargyrum/Wikimedia Commons)

X- 레이의 발생률을 두십시오 . Bragg의 법에 의해 주어진 건설적인 간섭 (밝은 점)의 조건은

여기서

=X- 레이의 파장,

= nth 중심점에 대한 강도 피크

d =연간 간격.

여기서 각도 는 기기의 스케일을 사용하여 측정됩니다. 는 이미 알려져 있습니다. 따라서 d 계산할 수 있습니다.

Bragg의 방정식을 사용하여 dhkl 계산할 수 있습니다. 결정이 회전하면 다른 평행 평면 세트가 반사되기 시작합니다. 이 평면의 플라나 간 거리가 계산 된 다음 새로운 비행기 세트에 초점을 맞 춥니 다. 이런 식으로, 가능한 모든 dhkl 결정의 값 (즉, 모든 평면의 임파 간 거리)이 계산됩니다.

이제

첫 번째 밝은 지점의 경우 n =1,

Rhs 의 수량 이후 간단한 시행 착오를 사용하여 상수 (격자 매개 변수 및 파장), ( h, k, l ) 값은 알려지지 않은 결정에 대해 계산 될 수 있습니다 (즉, a 의 정확한 값 알 수 없음). 많은 결정이 이미 측정되었으므로 ( h, k, l ) 조회 테이블에서 찾을 수 있습니다.

Verdict

X- 선 회절은 고체 물리학에서 중요한 도구입니다. 결정 구조의 결정에서 매일 사용하는 항목의 결정 구성 요소를 검증하는 것까지. 실제로 1962 년 노벨 생리학상은 핵산의 분자 구조 발견으로 수여되었습니다!