Faigel Gyula

Mire jó a röntgenvonalzó? - Az atomi szerkezet meghatározása röntgensugárzással

A mai technikai civilizációnkban mind több és mind kifinomultabb eszközöket használunk. Az ezeket felépítő anyagok tulajdonságait egyre pontosabban kell ismerni, és képesnek kell lenni arra, hogy a tulajdonságokat az igényekhez igazítsuk. Mivel a tulajdonságokat alapvetően meghatározza az alkotó atomok milyensége és térbeli rendje - vagyis az atomi szerkezet -, ennek pontos ismerete elengedhetetlen ahhoz, hogy jó és megbízható gépkocsikat, elektronikus eszközöket vagy éppen orvosságokat állítsunk elő. A kérdés fontosságát talán az is mutatja, hogy az elmúlt 100 évben számos módszert dolgoztak ki az atomi szerkezet meghatározására. Ezek közül a legszélesebb körben elterjedt a röntgensugárzással való szerkezetmeghatározás. Az ezzel kapcsolatos kísérleti és elméleti munkákért 9 Nobel-díjat adtak. Az előadás keretében bemutatjuk a röntgensugárzással való atomi szerkezetmeghatározás alapelveit, nehézségeit, és kitérünk a jövőbeli lehetőségekre is.

I. Bevezetés
Az anyagok jellegzetes tulajdonságai a bennük található atomi renddel szoros kapcsolatban vannak. Az atomi rend pontos ismerete különösen fontos korunk technikai civilizációja számára, a gyógyszergyártásban ugyanúgy, mint a félvezetők vagy a repülőgépeken használt szuperötvözetek előállításánál. Az atomszerkezetek feltérképezésében az egyik legfontosabb eszköz a röntgensugárzás.

II. A vonalzó
Egy távolság pontos méréséhez olyan vonalzót kell alkalmazni, amelynek beosztása finomabb vagy legalábbis azonos méretű a mérendő távolsággal. A hullámok általában jól alkalmazhatók távolságmérésre, mivel a hullámhegyek közötti távolság egy jól definiált érték (a hullámhossz), ezt hasonlítjuk össze a mérendő távolsággal. Az elektromágneses hullámok közül a röntgensugárzás hullámhossza esik az atomi méretek tartományába.

III. A mérés elve
Mivel a röntgensugárzás hullámait szemünkkel nem látjuk, a hullámhosszt indirekt módon hasonlítjuk össze az atomok közötti távolságokkal. Részletes számolások azt mutatják, hogy a kristályokról szórt hullámok a tér meghatározott irányaiban erős maximumokat mutatnak. Ezek elrendeződéséből és egymáshoz viszonyított nagyságából következtethetünk az atomok térbeli elhelyezkedésére.

IV. A minta
Az atomok közötti tipikus távolságok nagyon kicsik, a mm milliomod részénél is kisebbek. Így egy makroszkopikus anyagdarabban nagyon sok atom van. Ennyi atom koordinátáit egyenként nem tudjuk megadni, mivel ilyen nagy adatsort a világ összes számítógépe sem lenne képes befogadni. Ezért csak speciális minták - kristályok - szerkezetét tudjuk pontosan meghatározni. A kristályok azonos, tökéletes rendben szorosan egymás mellé rakott építőegységekből, elemi cellákból állnak. Így a szerkezet teljes jellemzéséhez elégséges egy ilyen építőelemben elhelyezkedő atomok rendjének meghatározása.

V. Röntgenforrások
A mérés minőségét nagyban befolyásolja az alkalmazott sugárforrás. A jó forrás kis helyről jövő, jól irányított, igen intenzív sugárzást ad. A leggyakrabban használt két forrástípus a hagyományos laboratóriumi röntgenforrás és a szinkrotron sugárforrás. Az előbbi berendezés mérete számítógépnyi, míg az utóbbi több száz méter átmérőjű elektrontároló gyűrű.

VI. Adatgyűjtés és feldolgozás
A mérés számítógép-vezérelt. A mintát különböző irányokba forgatva (ez több 1000-100 000 irányt jelent) feljegyezzük a minta által szórt hullámok intenzitását. Az így kapott intenzitástérkép adataiból különböző numerikus módszerekkel kaphatjuk meg az elemi cellában lévő atomi rendet.

VII. Problémák
A mérés elvi problémája az, hogy intenzitásméréskor csak a beérkező hullámok nagyságát (a fotonok számát) kapjuk meg, a hullámok fázisát nem. Ez az információhiány nehezíti a szerkezet egyértelmű meghatározását. Gyakorlati problémát jelent, hogy csak kristályos minták szerkezetét tudjuk meghatározni, illetve hogy a röntgensugárzás mérés közben megváltoztatja az atomi szerkezetet, sugárkárosodást okoz.

VIII. Jövőbeli lehetőségek
A jelenleg épülő legújabb röntgenforrások, a röntgen szabadelektron lézerek olyan mérőnyalábot fognak adni, amely lehetőséget nyújt nemcsak a statikus szerkezet meghatározására, hanem a különböző folyamatok közben változó szerkezet megfigyelésére is. Ezen túl remény van arra is, hogy egy-egy egyedi molekula vagy atomcsoport szerkezetét is meghatározzuk anélkül, hogy kristályt kellene készítenünk.

Tovább