Rozpraszanie i dyfrakcja promieniowania X część II. Jak eksplorować przestrzeń odwrotną - eksperymenty dyfrakcyjne

Podobne dokumenty
Rozpraszanie i dyfrakcja promieniowania X

Rentgenografia - teorie dyfrakcji

Promieniowanie rentgenowskie. Podstawowe pojęcia krystalograficzne

Krystalografia. Dyfrakcja

Mikroskop teoria Abbego

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Dyfrakcja na kryształach. Dyfrakcja na kryształach

Krystalografia. Dyfrakcja na monokryształach. Analiza dyfraktogramów

Natęż. ężenie refleksu dyfrakcyjnego

Metody badań monokryształów metoda Lauego

Wykład 17: Optyka falowa cz.1.

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

Rejestracja i rekonstrukcja fal optycznych. Hologram zawiera pełny zapis informacji o fali optycznej jej amplitudzie i fazie.

Rys. 1 Geometria układu.

Rys. 1 Interferencja dwóch fal sferycznych w punkcie P.

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

OPTYKA FALOWA I (FTP2009L) Ćwiczenie 2. Dyfrakcja światła na szczelinach.

Metody badań monokryształów metoda Lauego

Własności światła laserowego

Ponadto, jeśli fala charakteryzuje się sferycznym czołem falowym, powyższy wzór można zapisać w następujący sposób:

Problem fazowy w optyce rentgenowskiej

DYFRAKCYJNE METODY BADANIA STRUKTURY CIAŁ STAŁYCH

Monochromatyzacja promieniowania molibdenowej lampy rentgenowskiej

10. Analiza dyfraktogramów proszkowych

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

Dyfrakcja rentgenowska (XRD) w analizie fazowej Wykład 2 i 3

Dyfrakcja. Dyfrakcja to uginanie światła (albo innych fal) przez drobne obiekty (rozmiar porównywalny z długością fali) do obszaru cienia

Prawa optyki geometrycznej

Ciała stałe. Ciała krystaliczne. Ciała amorficzne. Bardzo często mamy do czynienia z ciałami polikrystalicznymi, rzadko monokryształami.

OPTYKA FALOWA. W zjawiskach takich jak interferencja, dyfrakcja i polaryzacja światło wykazuje naturę

Prezentacja przebiegu pomiaru obrazu dyfrakcyjnego monokryształu na czterokołowym dyfraktometrze Oxford Diffraction Gemini A Ultra.

Wykład XIV. wiatła. Younga. Younga. Doświadczenie. Younga

Metody Optyczne w Technice. Wykład 5 Interferometria laserowa

Laboratorium Optyki Falowej

BADANIE INTERFEROMETRU YOUNGA

Laboratorium z Krystalografii. 2 godz.

GŁÓWNE CECHY ŚWIATŁA LASEROWEGO

Wzajemne relacje pomiędzy promieniowaniem a materią wynikają ze zjawisk związanych z oddziaływaniem promieniowania z materią. Do podstawowych zjawisk

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Problemy optyki falowej. Teoretyczne podstawy zjawisk dyfrakcji, interferencji i polaryzacji światła.

Ćwiczenie 9 Y HOLOGRAM. Punkt P(x,y) emituje falę sferyczną o długości, której amplituda zespolona w płaszczyźnie hologramu ma postać U R exp( ikr)

Dyfrakcja. interferencja światła. dr inż. Romuald Kędzierski

Ćwiczenie 4. Doświadczenie interferencyjne Younga. Rys. 1

RENTGENOWSKA ANALIZA STRUKTURALNA

Interferometr Macha-Zehndera. Zapis sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej i pomiar jej okresu przestrzennego.

Optyka. Optyka geometryczna Optyka falowa (fizyczna) Interferencja i dyfrakcja Koherencja światła Optyka nieliniowa

Dyfrakcja rentgenowska (XRD) w analizie fazowej Wykład 2

PROPAGACJA PROMIENIOWANIA PRZEZ UKŁAD OPTYCZNY W UJĘCIU FALOWYM. TRANSFORMACJE FAZOWE I SYGNAŁOWE

Wyznaczanie rozmiarów szczelin i przeszkód za pomocą światła laserowego

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

ĆWICZENIE 6. Hologram gruby

Krystalografia. Wykład VIII

Optyka. Optyka falowa (fizyczna) Optyka geometryczna Optyka nieliniowa Koherencja światła

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 2. Koherentne korelatory optyczne i hologram Fouriera

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

Transformacje Fouriera * podstawowe własności

Krystalografia. Analiza wyników rentgenowskiej analizy strukturalnej i sposób ich prezentacji

POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 1. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Ćwiczenie 12 (44) Wyznaczanie długości fali świetlnej przy pomocy siatki dyfrakcyjnej

Wykład VI Dalekie pole

Różne reżimy dyfrakcji

Zaawansowane Metody Badań Strukturalnych. Badania strukturalne materiałów Badania właściwości materiałów

Obrazowanie rentgenowskie. tomografia, mikroskopia, kontrast fazowy

Metoda DSH. Dyfraktometria rentgenowska. 2. Dyfraktometr rentgenowski: - budowa anie - zastosowanie

18 K A T E D R A F I ZYKI STOSOWAN E J

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

Fizyka elektryczność i magnetyzm

Równania Maxwella. Wstęp E B H J D

Fale materii. gdzie h= J s jest stałą Plancka.

WŁASNOŚCI FAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH: INTERFERENCJA, DYFRAKCJA, POLARYZACJA

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

Ćwiczenie 363. Polaryzacja światła sprawdzanie prawa Malusa. Początkowa wartość kąta 0..

ODWZOROWANIE W OŚWIETLENIU KOHERENTNYM

Pomiar drogi koherencji wybranych źródeł światła

Wyznaczanie struktury krystalicznej i molekularnej wybranego związku koordynacyjnego w oparciu o rentgenowską analizę strukturalną

INTERFERENCJA WIELOPROMIENIOWA

Instrukcja do ćwiczenia. Analiza rentgenostrukturalna materiałów polikrystalicznych

Wykład 16: Optyka falowa

Optyka kwantowa wprowadzenie. Początki modelu fotonowego Detekcja pojedynczych fotonów Podstawowe zagadnienia optyki kwantowej

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

Wykład III. Interferencja fal świetlnych i zasada Huygensa-Fresnela

Metody dyfrakcyjne do wyznaczania struktury krystalicznej materiałów

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Wykład FIZYKA II. 8. Optyka falowa

CHARAKTERYSTYKA WIĄZKI GENEROWANEJ PRZEZ LASER

Podstawy informatyki kwantowej


POLARYZACJA ŚWIATŁA. Uporządkowanie kierunku drgań pola elektrycznego E w poprzecznej fali elektromagnetycznej (E B). światło niespolaryzowane

REZONANSY : IDENTYFIKACJA WŁAŚCIWOŚCI PRZEZ ANALIZĘ FAL PARCJALNYCH, WYKRESY ARGANDA

Wstęp. Krystalografia geometryczna

Wprowadzenie do optyki (zjawisko załamania światła, dyfrakcji, interferencji, polaryzacji, laser) (ćw. 9, 10)

Rejestracja dyfraktogramów polikrystalicznych związków. Wskaźnikowanie dyfraktogramów i wyznaczanie typu komórki Bravais go.

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Fonony. Fonony

MATERIA. = m i liczby całkowite. ciała stałe. - kryształy - ciała bezpostaciowe (amorficzne) - ciecze KRYSZTAŁY. Periodyczność

Rys. 1 Pole dyfrakcyjne obiektu wejściowego. Rys. 2 Obiekt quasi-periodyczny.

TECHNIKI OBSERWACYJNE ORAZ METODY REDUKCJI DANYCH

Charakterystyka promieniowania miedziowej lampy rentgenowskiej.

Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego

Transkrypt:

Rozpraszanie i dyfrakcja promieniowania X część II Jak eksplorować przestrzeń odwrotną - eksperymenty dyfrakcyjne

Poprzedni wykład Dyfrakcja a transformacja Fouriera k r R r(r) q=k-k Obraz dyfrakcji (rozproszenia) proporcjonalny do transformaty Fouriera rozkładu ładunku. Zmiennymi sprzężonymi są q i r

Geometria eksperymentu dyfrakcyjnego Rozproszenie jest określone przez q=k-k i r Detektor pozycyjny lub ruchomy punktowy k Próbka k Źródło promieniowania X [raczej nieruchome] Możliwa zmiana długość fali l promieniowanie padające Obrót próbki = zmiana kierunku wektora k w układzie odniesienia związanym z próbką Obrót detektora lub inny piksel = zmiana kierunku wektora k

Konstrukcja Ewalda rozproszenie na obiekcie periodycznym k wektor falowy fali padającej k =k=2p/l

Konstrukcja Ewalda wektor falowy fali rozproszonej k q kąt rozproszenia k wektor falowy fali padającej k =k=2p/l k =k=2p/l

Konstrukcja Ewalda wszystkie dopuszczalne wektory falowe promieniowania rozproszonego sfera Ewalda k k q kąt rozproszenia k =k=2p/l k =k=2p/l

Konstrukcja Ewalda q=k-k q= q =2ksin(q/2) k k q q wektor rozproszenia k =k=2p/l k =k=2p/l

Konstrukcja Ewalda Sieć odwrotna [wektorów G] dla uproszczenia prostokątna G hkl =hb x +kb y +lb z 0,1,0 q y 0,0,0 1,0,0 b i = b i =2p/a i b y b x a i (i=x,y,z) sieć rzeczywista q x punkt G=0 początek układu

Konstrukcja Ewalda Warunek Lauego q=g hkl q y 0,0,0 k q x Umieszczamy koniec wektora k w początku układu. Rysujemy sferę Ewalda Jeżeli przecina ona jakiś punkt to mamy spełniony warunek Lauego

Konstrukcja Ewalda Warunek Lauego q=g hkl q=k-k k q=g 0,0,0 k Widzimy, w jakim kierunku k będzie rozproszone promieniowania i powstaną piki dyfrakcyjne

Konstrukcja Ewalda Uwaga: rysowanie detektora w przestrzeni odwrotnej odzwierciedla tylko jego położenie kątowe i rozmiary kątowe a nie pozycję i wymiary. q=k-k Wiązką ugięta k q k Wiązką padająca i rozproszona w przód Wstawiamy detektor Piki dyfrakcyjne (refleksy) powstaną dla kierunku k dla którego spełniony jest warunek q=g czyli k =G+k. Warunek ten jest zawsze spełniony dla G=0 2009 Wiązką ugięta

Konstrukcja Ewalda Warunek Lauego q=g 0,0,0 Generalnie spełnienie warunku Lauego jest trudne W tej sytuacji nie ma rozproszenia! Warunek Lauego spełniony jest jedynie dla G=0 czyli dla rozproszenia w przód.

N(k) Polichromatyczne promieniowanie X Spektrum promieniowania padającego k=k min k=k max k=k min 0,0,0 k

N(k) Polichromatyczne promieniowanie X Spektrum promieniowania padającego k=k max k=k min k=k max k=k min 0,0,0 k

Polichromatyczne promieniowanie X k=k max k=k min 0,0,0 Wszystkie punkty sieci odwrotnej zawarte w tym obszarze produkują wiązki ugięte piki dyfrakcyjne Uwaga: aby wyznaczyć kierunki wiązek rozproszonych należy narysować konstrukcję Ewalda dla danego k z przedziału (k min,k max )

Metoda Lauego Biała wiązka. Nieruchomy monokryształ J.A. Nielsen k Jeden z pierwszych obrazów Lauego - ZnS czas akwizycji ok. 1000s k W detektorze 2D zbieramy dane 3D. Każdy pik odpowiada wektorowi G hkl. Jest to możliwe tylko dla kryształów dających dyskretne piki dyfrakcyjne! Obraz Lauego (biała wiązka) dla białka PYP. czas akwizycji 100 ps ok. 4000 refleksów

Zmiana warunków dyfrakcji przez obrót kryształu Brak dyfrakcji! 0,0,0

Zmiana warunków dyfrakcji przez obrót kryształu Spełniony warunek Lauego 0,0,0 Obrót kryształu (sieci rzeczywistej) powoduje taki sam obrót sieci odwrotnej W układzie odniesienia związanym z próbką to wektory k i k zmieniają kierunki Poprzez zmianę orientacji próbki można uzyskać dyfrakcję

Badania dynamiki reakcji kombinacja polichromatycznego promieniowania i obrotu kryształu mioglobina-co 150ps Animacja [fotoliza MbCo]

Da się skrystalizować Wirus choroby niebieskiego języka komórka elementarna stałe sieci ok. 80 nm 50 000 atomów (bez uwzględniania H) ok. 3 miliony refleksów (tu ok. 50 000)! 1000 różnych kryształów! [zniszczenia radiacyjne] D. Stuart

Polikryształy i nanoproszki Polikryształy, nanoproszki małe krystality o różnych orientacjach Konstrukcja Ewalda dla monokryształu 0,0,0

Polikryształy i nanoproszki Polikryształy, nanoproszki małe krystality o różnych orientacjach Uśredniamy po orientacjach krystalitów 0,0,0

Polikryształy i nanoproszki Polikryształy, nanoproszki małe krystality o różnych orientacjach Uśredniamy po orientacjach krystalitów 0,0,0

Polikryształy i nanoproszki Polikryształy, nanoproszki małe krystality o różnych orientacjach W 3D musimy jeszcze obrócić wokół tej osi 0,0,0 Wektory k będą leżały na okręgach: przecięciach sfery Ewalda ze sferami G Konstrukcja Ewalda dla polikryształu lub nanoproszku

Prązki Debye a Uwaga: tu 2q odpowiada naszemu q InAs InAs J.A. Nielsen

Skończone kryształy Pamiętamy, że szerokość piku dyfrakcyjnego czyli rozmiar punktów sieci odwrotnej zależy odwrotnie proporcjonalnie od wielkości kryształu 0,0,0 Tu, choć warunek Lauego nie jest ściśle spełniony rozpraszanie ma miejsce można badać szerszy zakres przestrzeni odwrotnej i badać funkcję kształtu

Obcięta nanopiramida SiGe Pik dyfrakcyjny = obiekt w 3D Przestrzeń q w okolicy wektora sieci odwrotnej podstawa 200 nm x 200 nm Obrót próbki w przestrzeni rzeczywistej powoduje identyczny obrót przestrzeni odwrotnej I. Vartanyants et al., Phys. Rev. B 77, 115317 (2008)

Jak mapować przestrzeń q? Promieniowanie jest monochromatyczne k k G płaszczyzna detekcji np. kamera CCD duża zmiana q x q k q z k G=0 W tym konkretnym przykładzie: W płaszczyźnie detekcji q x q y (np. w kamerze CCD) powstaje obraz piku G dla prawie stałego q z q x

Jak mapować przestrzeń q? Obrót próbki k k głównie zmiana q z G płaszczyzna detekcji np. kamera CCD duża zmiana q x q k q z k G=0 W tym konkretnym przykładzie: W płaszczyźnie detekcji q x q y (np. w kamerze CCD) powstaje obraz piku G dla prawie stałego q z q x

Jak mapować przestrzeń q? Obrót próbki k k głównie zmiana q z G płaszczyzna detekcji np. kamera CCD duża zmiana q x q k q z k G=0 Obrót próbki pozwala na 3D mapowanie przestrzeni q q x

Dane dyfrakcyjne (3D) dla nanokryształu złota k I.K. Robinson, Phasing Workshop, 2003 q=k - k k * Środek jest symetryczny*

Przykłady funkcji kształtu Biermanns et al., ESRF Spot on Science 2009 www.esrf.eu Dyfrakcja na pojedynczych nanoprętach GaAs E=8keV Rozmiar wiązki 220 nm x 600 nm Okres oscylacji rozmiar w danym kierunku

Sprzęt ID01 ESRF Dyfraktometr 4+2+2 kołowy

Spekle optyczne

Spekle rentgenowskie koherentna dyfrakcja na obiektach nieperiodycznych Układy biologiczne. Nie wszystko da się skrystalizować! Bakteria [E.Coli] Eukariota [drożdże] Ludzki chromosom

Dyfrakcja laser na swobodnych elektronach Przyszłość: Obrazowanie pojedynczych molekuł biologicznych pojedynczym impulsem lasera rentgenowskiego (10fs)! Problem: jonizacja i eksplozja molekuły!

Dyfrakcja laser na swobodnych elektronach Testy na nanostrukturach. Laser FLASH miękkie promieniowanie rentgenowskie Impuls 1 spekle nanostruktury Obiekt przed impulsem Wniosek: można zarejestrować obraz dyfrakcyjny przed zniszczeniem! Impuls 2 spekle krateru Obiekt po impulsie [ krater]

Femtosekundowa nanokrystalografia rentgenowska Rentgenowski laser na swobodnych elektronach Impulsy 70 fs. E=1.8keV Nanokryształy: kompleks białek

Obrazowanie pojedynczych wirusów

Koherencja Przestrzeń odwrotną można eksplorować z dużą rozdzielczością używając bardzo koherentnego promieniowania. Dotychczas zakładaliśmy, że promieniowanie padające może być opisane przez idealną monochromatyczną falę płaską. Prawdziwa wiązka promieniowania odbiega od monochromatycznej fali płaskiej: 1) Nie jest doskonale monochromatycza 2) Nie rozchodzi się w ściśle ustalonym kierunku

Spójność czasowa podłużna droga spójności S droga L 1 D SYGNAŁ W DETEKTORZE Nieskończone ciągi falowe (fala monochromatyczna) Interferencja destruktywna droga L 2 DL=L 2 -L 1 Interferencja konstruktynwa

Spójność czasowa podłużna droga spójności L L S droga L 1 D SYGNAŁ W DETEKTORZE Skończone ciągi falowe brak interferencji DT DL=L 2 -L 1 droga L 2 Dt By zaistniała interferencja ciągi falowe muszą się przekrywać. Zatem: separacja impulsów musi być mniejsza niż ich szerokości DT<Dt Separacja impulsów wynika z różnicy dróg optycznych DT=DL/c Zatem różnica dróg optycznych: DL<cDt Definiujemy podłużną drogę spójności L L =cdt

E(t) E(t) Przykład z poprzedniego wykładu Spektrum (widmo energii) promieniowania jest jego transformatą Fouriera E(w)= E(t)e -iwt dt t Dt E(w) E(w) w ujemne częstotliwości są niefizyczne Dw t w=0 w

Spójność czasowa podłużna droga spójności Definiujemy podłużną drogę spójności L L =cdt Z transformacji Fouriera funkcji P Zatem: Dt=2p/Dw L L =2pc/Dw=2pħc/DE Typowo dla promieniowania X po monochromatyzacji: l=1å Dl/l=10-4 L L =1mm Ta wielkość mówi, że można koherentnie obrazować obiekty o wymiarach <1mm. Prążki interferencyjne odpowiadające większym odległością będą rozmyte Lub inaczej: L L =2p/Dk L K =l(l/dl) Uwaga: spójność czasowa jest mniej ważna dla rozproszenia niskokątowego (małe różnice dróg optycznych). Nie jest ważna dla rozpraszania w przód.

Spójność przestrzenna poprzeczna droga spójności W punkcie P i P obie fale są w fazie. Zatem w przeciwfazie są dla odległości dwa razy mniejszej. Taką odległość nazywamy poprzeczną drogą spójności. Zaniedbujemy krzywiznę frontów falowych. P rozciągłe źródło q 2L T D R q P sin q = D/(2R) sin q = l / (2L T ) Typowo (synchrotron): l=1å D=100mm R=20m L T =20mm L T =lr/d l

Spójność i dyfrakcja X By obrazować kształt nanokryształu lub obserwować spekle musimy mieć bardzo spójne promieniowanie. Do wyznaczanie struktury kryształu możemy użyć mniej spójnej wiązki. Efektywnie obrazujemy wtedy komórkę elementarną czyli bardzo mały obiekt.