Röntgendiffraktometrie (XRD)

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Autoren: Hans-Jürgen Schwarz, NN

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Einführung

Das Grundprinzip: In einem Kristall sind die Atome in eindeutig definierten Abständen zueinander angeordnet und bilden ein Kristallgitter. Das Grundmodell des definierten Kristallgitters wiederholt sich in periodischen Abständen immer wieder. Die Abstände dieser Perioden (Gitterabstände) liegen in der Größenordnung von 0.02 bis 2.5 A. Durch die Gitterabstände werden sogenannte Kristallgitterebenen definiert, deren Lage in Kristall durch ganzzahlige Vielfache der Gitterabstände bestimmt wird. An den Kristallgitterebenen wird nun Strahlung entsprechender Wellenlänge (Röntgenstrahlung) vergleichbar der Beugung von Licht an Strichgittern, gebeugt.

Treffen Röntgenstrahlen auf ein Kristall, so ergibt sich eine Reihe von Reflexen, die in Beziehung zum auftreffenden Winkel der Strahlung auf gewisse Kristallgitterebenen stehen. Es gilt hierbei die Bragg'sche Beziehung:

n * λ = 2 sin Θ

mit n = ganze Zahl λ = Wellenlänge der verwendeten Röntgenstrah¬lung, d = Gitterebenenabstand, auch Netzebenenab¬stand genannt Θ = Glanzwinkel - Winkel zwischen einfallendem Röntgenstrahl und Kristallgitterebene.

Ist die Wellenlänge der Röntgenstrahlung bekannt, so läßt sich aus der Lage der Beugungsreflexe die untersuchte kristalline Phase bestimmen. Aus diesem folgt, dass die Röntgendiffraktometrie bei amorphen, d.h. nicht kristallinen Substanzen (z. B. Glas) kaum Informationen liefert.

In der Praxis wird die Probe meist in Pulverform vermessen, da sich dann die Mikrokristallite im Pulver in allen Richtungen (statistisch) orientieren. Es werden, ohne die Probe bewegen zu müssen, nahezu immer alle Kristallgitterebenen erfasst (z. T. wird der Probenträger noch gedreht). Bei bestimmten Mineralien wie z.B. den Schichtsilikaten, erhält man bei "normaler " Probenpräparation eine bevorzugte Orientierung, so dass dann spezielle Maßnahmen zur deren Verhinderung getroffen werden sollten.

Zur Detektion der gebeugten Strahlung bieten sich mehrere Möglichkeiten an. So kann einmal zur Registrierung der Beugungsreflexe nach Beugungswinkel und Intensität der gebeugten Strahlung ein fotografischer Film in einer geeigneten Kamera dienen (Debeye-Scherrer-, Guinier- und Gandolfi-Kamera). Es ist aber auch möglich, die Reflexe mit einem Zählrohr oder einem Festkörperdetektor (Goniometerverfahren) zu erfassen. Der Detektor fährt dabei den gewünschten Winkelbereich ab und bestimmt zu jedem Winkel die Intensität der Reflexe. Im sogenannten Diffraktogramm werden in Abhängigkeit vom Winkel die Intensität der Röntgenstrahlung aufgetragen. Tabellenwerke, die heute in Datenbanken für eine Rechner - gestützte Auswertung zur Verfügung stehen, erlauben für alle kristallinen organischen und anorganischen Substanzen eine sichere Bestimmung (ca. 50.000 Musterdiagramme, davon ca. 35.000 anorganische Substanzen).

Vorteil: Die Röntgendiffraktometrie ermöglicht eine qualitative und halbquantitative, in bestimmten Fällen auch eine quantitative Bestimmung kristalliner Substanzen. Im Bereich der Restaurierung liefert sie insbesondere bei der Untersuchung von Pigmenten, Salzen, Gesteinsproben, Korrosionsprodukten und keramischen Materialien gute Ergebnisse. Die Materialmenge für eine Analyse kann je nach Untersuchungsverfahren von wenigen mg beim üblichen Pulverdiffraktometer bis auf wenige Mikrogramm und darunter bei Einkristallprobenträgern bei Diffraktometerverfahren und bei Debye-Scherrer bzw. Guinier- und Gandolfi- Verfahren reichen. Die Untersuchungsmethode ist zerstörungsfrei, d. h. es können anschließend noch weitere Untersuchungen an der Probe durchgeführt werden.

Nachteil: In Phasengemischen sind unter normalen Bedingungen nur Phasenanteile ab einem Anteil von 1-5% nachweisbar.

Als Phase wird ein stofflicher Zustand bezeichnet, der in sich, makroskopisch betrachtet, homogen ist.

Ein Zählrohr dient zur Detektion von Röntgenstrahlung und wandelt die einzelnen Röntgenphotonen in Spannungsstöße um, die entweder einzeln gezählt oder integrierend erfasst werden.

Gerät zum Empfangen technischer Größen: z.B. Strahlungsdetektor