§ 1. Физическая основа рентгеноструктурного анализа

Датой рождения рентгеноструктурного анализа можно считать 1912 г., когда Лауэ и его сотрудники открыли эффект дифракции рентгеновских лучей при их прохождении через кристалл.

Это явление в общем аналогично дифракции световых лучей, пропускаемых через штриховую дифракционную Решетку. Как известно, пучок монохроматических лучей, направленных на пластинку с системой равноотстоящих отверстий (или штрихов), распространяется за пластинкой по ряду избранных (дискретных) направлений. Происходит это вследствие наложения сферических волн, исходящих из каждого отверстия. В некотором произвольном направлении эти волны не совпадают по фазе и в совокупности взаимно гасят друг друга. Но если разность фаз лучей, исходящих из соседних отверстий, составит целое число периодов, то они не погасят, а взаимно усилят друг друга. Этому условию и удовлетворяют дифракционные лучи.

Рис. 22. Параметры электромагнитной волны: S - направление распространении; λ-длина волны; E₀-амплитуда; δ - начальная фаза

Кристалл является периодической атомной структурой. Если использовать такие лучи, которые рассеиваются атомами и имеют длину волны, близкую к межатомным расстояниям, то должен наблюдаться аналогичный эффект. Периоды повторяемость решетки кристалла лежат обычно в пределах 5 -10 Å^*. Поэтому для дифракции на кристалле требуется излучение с длиной волны, лежащей примерно в той же области - порядка 10^-10- 10^-8 см.

^* (В современной литературе при описании строения кристаллов и молекул, а также в справочных материалах (длины волн K_α - линий, системы и ионных радиусов и т.д.) все дистанционные параметры приятно приводить в ангстремах, а не в единицах СИ (нанометрах). 1A=10^-10 м=0,1 нм.)

Общую схему рентгеноструктурного анализа можно сравнить с работой обычного микроскопа. Роль объектива, разлагающего в спектр лучи, рассеянные предметом, играет рентгеновская камера (или дифрактометр) с исследуемым кристаллом: первичный пучок лучей, создаваемый рентгеновским аппаратом, разлагается кристаллом в дифракционный спектр. Роль окуляра, собирающего лучи спектра в увеличенное изображение предмета, играет вычислительная машина: путем математической обработки дифракционных характеристик направлений и интенсивности дифракционных лучей, она воссоздает увеличенное изображение распределения электронной плотности по элементарной ячейке кристалла; позиции максимумов плотности отвечают размещению атомов. Математическая обработка дифракционных данных требует использования всех средств современной вычислительной техники.