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Pulverbeugung ist ein Beugungstechnik wo ein Pulver, bestehend aus einer sehr großen Zahl, meist völlig zufällig orientiert, Kristallite einem Strahlenbündel ausgesetzt ist. Die Technik wird verwendet, um aus einem Pulver zu bestimmen, aus welchen Komponenten das Pulver besteht.

Streumuster

Serie von Pulverkartuschen von Schwefel beim Aufwärmen.

Die Streuung der Strahlung wird als Funktion des Streuwinkels 2θ gemessen. Die am häufigsten verwendete Strahlung für diese Technik ist röntgen, normalerweise die CuKα-Strahlung einer Kupferanode. Die Technik wird jedoch auch mit . angewendet Neutronen und in geringerem Maße mit Elektronen.

Da die Orientierung im Pulver zufällig ist, gibt es immer einen Teil des Pulvers, der in Bezug auf den einfallenden Strahl in der richtigen Orientierung ist, um das Braggsche Gesetz zu erfüllen (2d_hklsinθ = λ) für eine gegebene Kristallebene (hkl).

Das Ergebnis ist, dass die Streuintensität als Funktion von eine Anzahl von Peaks zeigt, im Prinzip einen Peak für jede Kristallebene (hkl). Im Gegensatz zu dem, was bei der Fall ist Einkristallbeugung, sind die erhaltenen Informationen nicht dreidimensional. Der dreidimensionale reziproke Raum ist aufgrund der Randomisierung der Kristallite nur in eine Dimension gepackt. Dabei kommen viele Informationen zusammen. Viele der Peaks bestehen daher tatsächlich aus mehr als einem Signal.

Als Fingerabdruck verwenden

Die Musterüberlappung ist keine Katastrophe, wenn es darum geht, den Stoff zu identifizieren, der zum Muster geführt hat. Das Muster von starken und schwachen Peaks, insbesondere wenn die Peakpositionen (Streuwinkel) mit großer Genauigkeit bekannt sind, ist fast immer a einzigartig Fingerabdruck der untersuchten Substanz. Auch eine Mischung aus etwa vier oder fünf verschiedenen Festphasen ergibt ein Muster, das in seine Bestandteile zerlegt werden kann. Hanawalt begann bereits in den 1930er Jahren mit dem Sammeln von Kassetten und diese Datenbank ist zur JCPDS-ICDD-Datenbank mit rund 220.000 Kassetten angewachsen. Hanawalts ursprüngliche Methode bestand darin, eine Tabelle basierend auf den stärksten drei Linien zu erstellen. Die Position der zweiten Linie wurde für alle Muster angepasst, bei denen die Position der ersten in einen bestimmten Bereich fiel. Allerdings gibt es jetzt auch eine Software, die das Spiel automatisch erkennt.

Bei dieser Anwendung hat sich die Pulverbeugung zu einer weit verbreiteten Analysetechnik entwickelt, die in der Geologie, Metallurgie, Apotheke usw.

Indikation

Aufgrund der Koinzidenz der Informationen ist es manchmal (zu) schwierig zu erkennen, welche Kristallebene(n) genau zu welchem ​​Peak gehören. Dieses Problem ist es Indexierungsproblem. Es gibt Computerprogramme, die in einigen Fällen helfen können, aber dann muss die Peakposition sehr genau bekannt sein (die Daten müssen von hoher Qualität sein), die Elementarzelle darf nicht zu groß sein und es dürfen keine Verunreinigungen mit einem anderen Kristall vorhanden sein Struktur im Pulver. Auch die Symmetrie spielt eine Rolle. Je größer die Symmetrie, desto einfacher ist das Problem zu lösen. Bei einem kubischen Material zum Beispiel fallen Reflexionen wie (123) (213) (321) (312) usw. alle genau zusammen und haben auch die gleiche Intensität. Es gibt dann viel weniger Peaks und es gibt nur einen Zellparameter, mit dem sie alle angegeben werden müssen.

Strukturbestimmung

Prinzipiell lässt sich die Kristallstruktur aus einem Pulver genauso leicht bestimmen wie aus Informationen aus einem Einkristall, und der große Vorteil ist, dass ein Pulver viel leichter zu bekommen ist als ein Einkristall. Letzteres ist selbst für viele Stoffe praktisch unmöglich. Dies gilt für die Neutronenbeugung noch mehr als für die Röntgenbeugung, da die Probe dort viel größer sein muss (etwa ein Gramm). Einkristalle dieser Größe sind fast unmöglich zu bekommen. Neutronenbeugung wird daher fast ausschließlich an Pulvern durchgeführt. Die am häufigsten verwendete Methode zur Bestimmung der Struktur von Pulvern stammt vom Holländer Hugo Rietveld. Bei seinem Verfahren wird der gesamte Verlauf des Diffraktogramms in eine nichtlineare Verfeinerung einbezogen. Die Strukturbestimmung aus Pulvern ist jedoch viel schwieriger als aus einem Einkristall. Auch hier ist die Überschneidung von Informationen der größte Stolperstein. In der Röntgenbeugung ist die Technik daher teilweise verdrängt worden, vor allem aufgrund der großen Verbreitung der Einkristalltechnik dank des Computers, obwohl sich hier in den letzten Jahren - teilweise dank des Computers - eine Wende vollzogen hat.

Neutronenbeugung

Ein Großteil der Entwicklung bei Pulvermethoden erfolgte aus dem Neutronenwinkel. Neutronenbeugung ist nur ein sehr kleiner Teil der wissenschaftlichen Welt, aber sie bietet aus zwei Gründen eine einzigartige Perspektive auf die Struktur. Beim XRD ist die Stärke der Streuung proportional zur Elektronenzahl des Atoms, d. h. die Ordnungszahl. Das heißt, Wasserstoffatome sind kaum sichtbar, weil das Atom nur ein Elektron hat. Für Neutronen sind die Streulängen der Isotope voneinander verschieden und die Isotope ¹Sie ²H (=D) sind stark streuende Kerne. Die Neutronenstreuung ist daher für viele organische und biologische Materialien eine attraktive Option. Der zweite Grund ist, dass Neutronen auch gestreut werden, wenn ein Atom ein magnetisches Moment trägt. Neutronenbeugung kann somit auch die magnetische Struktur eines Materials entschlüsseln. Auch hierfür ist die Rietveld-Methode erforderlich.

Linienverbreiterung

Die Breite der Linien (Peaks) in einem Pulvermuster wird durch eine Reihe von Faktoren beeinflusst. Zum einen gibt es instrumentelle Faktoren, die durch die Messung einer Kalibriersubstanz untersucht werden können. Sie verwenden normalerweise Lanthanborid LaB daar₆ vor dem. Außerdem spielen die Kristallitgröße und die Belastung, unter die die Kristallite gesetzt werden, eine Rolle. Die Untersuchung der Linienverbreiterung ist daher eine weitere Anwendung der Pulverbeugung: Es ist eine Methode zur zerstörungsfreien Messung von Spannungen in einem Objekt.

Synchrotronstrahlung

EIN Synchrotron erzeugt eine intensive Strahlungsmenge, die einen sehr weiten Wellenlängenbereich umfasst. Dazu gehören auch Röntgenstrahlen, die mit einem Monochromator „abgegriffen“ werden können. Dadurch steht nahezu jede Wellenlänge in besonders hoher Intensität zur Verfügung. Dadurch ist es möglich, Muster sehr schnell zu messen, beispielsweise in Abhängigkeit von Temperatur oder Druck, während einer chemischen Reaktion, während der Kristallisation und so weiter. Die Verfügbarkeit von Synchrotronstrahlung hat der Pulverbeugung somit eine erhebliche Erweiterung ihres Anwendungsbereichs gegeben.

Externe Links

• (und) Rietveld-Methode