Neutrondiffraktion - UU Studentportalen

Neutrondiffraktion
Neutroners egenskaper: Man utnyttjar s.k. termiska neutroner (reaktor)
Monokromatisering genom kristall (t.ex. Cu)
Litet flöde  stort prov krävs
Liten absorption stort prov möjligt
Känner av atomkärnor
Känner av magnetiskt spinn
Neutronstrålning används:
a) Som komplement till röntgendiffraktion
Formfaktorn (spridningsförmågan) är inte enkelt relaterad till atomnumret
Formfaktorn varierar inte med vinkeln
b) Som komplement till magnetiska mätningar (susceptibilitet, Mössbauer etc.)
Formfaktorn (det magnetiska bidraget) beror på magnetspinnet
Formfaktorn (det magnetiska bidraget) faller starkt av med ökande vinkel
Kristallstrukturbestämning
I allmänhet från röntgendiffraktionsdata!
a) Elektrondiffraktion/TEM
b) Pulverröntgendiffraktion
c) Enkristallröntgendiffraktion
Eftersom Braggs lag ger starkt villkor för diffraktion ger enkristaller den bästa
informationen: Olika reflexer hamnar på olika ställen i rymden även om dvärdena är desamma.
Strukturlösning grundar sig på Fouriertransformation. Elektrontätheten i en
punkt är relaterad till en summa över intensiteten hos alla reflexer:
 xyz 
1
V
Här är:
 Fhkle  2i(hx  ky lz)
h
k
l
V= enhetscellvolymen
Fhkl = strukturfaktorn för reflexen (hkl)
x,y,z= valfri punkt i enhetscellen
xyz= elektrontätheten i punkten x,y,z
(Summeringen görs över h, k resp. l i de tre summorna)
Detta kan synas enkelt, men vad får man från experimentet? Jo, från den
uppmätta intensiteten erhålles Fhkl, vilket enbart ger strukturfaktorns
1
magnitud, inte dess fasvinkel! Därmed kan man inte utföra multiplikationen för
var term i summan.
Ett enklare fall når man om strukturen har symmetricentrum. Det innebär ju att
en atom i x,y,z också återfinns i -x, -y, -z. Det leder till att strukturfaktorerna
Fhkl(x,y,z) och Fhkl(-x,-y,-z) är varandras konjugat varför deras summa är reell
(fasvinkel 0 eller ). Fasvinkelproblemet reduceras alltså till valet mellan två tal.
Det finns olika strukturlösningsmetoder att ta till. Den enklaste är att gissa
strukturen och sedan räkna ut strukturfaktorn och jämföra med observerade
intensiteter. Detta är görligt endast för mycket enkla strukturer.
Ett annat problem är att summeringen egentligen skall göras över alla värden på
h,k,l. Det innebär ett oändligt antal reflexer. Alltför få reflexer leder till s.k.
avbrottseffekter som kan ge problem.
När man tror sig ha en hyfsad modell kan den jämföras med verkligheten (=
insamlade intensiteter från så många reflexer som möjligt). Här följer ett
förfiningssteg, dvs. man anpassar parametrar i sin modell så att denna bringas
till så god överensstämmelse med observationerna som möjligt.
Man räknar med att man behöver minst 10 oberoende reflexer (= intensitetsvärden) per parameter. Det innebär i allmänhet tre lägesparametrar per atom.
Om enhetscellen innehåller många atomer måste man samla in tusentals data
från en enda kristall.
För proteinkristaller är detta problematiskt. Dels innehåller enhetscellen ett
mycket stort antal atomer, dels tål inte kristallerna den energirika strålningen
utan måste bytas ut innan ett helt dataset har samlats in. På grund av problemets
komplexitet nöjer man sig med ett färre antal reflexer än t.ex. för oorganiska
ämnen, med den följd att upplösningen blir sämre, dvs. elektrontäthetsbilden blir
inte så skarp.
Rent allmänt kräver strukturlösning ganska så stor datorkapacitet, och kristallografer var faktiskt bland de första som överhuvudtaget kom att använda datorer
inom den vetenskapliga världen.
2