Khác biệt giữa bản sửa đổi của “Tinh thể học tia X”

▲Phương pháp lâu đời nhất và chính xác nhất của [[tinh thể học]] tia X là ''nhiễu xạ tia X đơn tinh thể'', trong đó chùm tia X bị bản hồi từ các mặt phăngr có khoảng cách đều nhau của một đơn tinh thể, tạo ra một ''mẫu nhiễu xạ'' gồm các điểm gọi là ''nhiễu xạ''. Mỗi nhiễu xạ tương ứng với một tập các mặt phẳng có khoảng cách đều nhau bên trong tinh thể. Mật độ các electron bên trong tinh thể được xác định từ vị trí và độ sáng của các nhiễu xạ khác nhau quan sát được khi tinh thẻe từ từ xoay quanh chùm tia X; mật độ này, cùng với dữ liệu bổ sung (về thành phần hóa học), cho phép ta xác định vị trí của các nguyên tử bên trong tinh thể. Nó có thể xác định lực liên kết hóa học trung bình giữa các nguyên tử và góc giữa chúng trong khoảng vài ngàn [[Ångström]] và vài chục [[độ (góc)|độ]].

▲Kĩ thuật nhiễu xạ tia X đơn tinh thể có 3 bước chính. Đầu tiên - khó nhất - là thu thập một tinh thể tốt. Tinh thể phải đủ lớn (thường là lớn hơn 100 [[micron]] ở mọi chiều), không có tạp chất và có cấu trúc ổn định, không bị nứt nẻ.

▲Bước hai, đặt tinh thể vào trong đường đi của chùm tia X cực mạnh, thường có bước sóng đơn (''monochromatic X-rays''), để tạo ra các mẫu nhiễu sắc. Tinh thể từ từ xoay và dữ liệu được thu thập lại. Mỗi ảnh chứa hàng chục ngàn điểm nhiễu xạ với các cường độ khác nhau.

▲{{see also|Độ phân giải (mật độ electron)}}

▲[[Nicolas Steno]] (1669) là người đầu tiên thử nghiệm tính đối xứng của tinh thể, ông đã cho thấy rằng các góc giữa 2 bề mặt tinh thể là luôn như nhau,<ref>{{cite book | last = Steno | first = N | authorlink = Nicolas Steno | year = 1669 | title = De solido intra solidum naturaliter contento dissertationis prodromus | publisher = Florentiae}}</ref> và tiếp đến là [[René Just Haüy]] (1784), người đã khám phá ra rằng mỗi mặt của một tinh thể có thể được mô tả bởi 3 số nguyên nhỏ, gọi là [[chỉ số Miller]]. Điều này dẫn Haüy đến quan điểm đúng đắn là các tinh thể có cấu trúc mảng 3 chiều không thay đổi ([[lưới Bravais]]) các nguyên tử và phân tử; một phân tử [[tế bào đơn vị]] được lặp đi vô hạn định dọc theo 3 trục cơ bản đó (các trục này không nhất thiết là vuông góc nhau). Vào thế kỉ 19, tổng hợp mọi đối xứng có thể có của một tinh thể đã được đưa ra bởi [[Johann Hessel]],<ref>{{cite book | last = Hessel | first = JFC | year = 1831 | title = Kristallometrie oder Kristallonomie und Kristallographie | publisher = Leipzig}}</ref> [[Auguste Bravais]],<ref>{{cite journal | last = Bravais | first = Auguste | authorlink = Auguste Bravais | year = 1850 | title = Mémoire sur les systèmes formés par des points distribués regulièrement sur un plan ou dans l'espace | journal = J. l'Ecole Polytech. | volume = 19 | pages 1&ndash;?}}</ref> [[Yevgraf Fyodorov]],<ref>{{Cite journal|author=I. I. Shafranovskii and N. V. Belov|title=E. S. Fedorov|journal=50 Years of X-Ray Diffraction, ed. Paul Ewald (Springer)| |date=1962| id=ISBN 9027790299| url=http://www.iucr.org/iucr-top/publ/50YearsOfXrayDiffraction/fedorov.pdf | pages=pp 351-353 }}</ref>, [[Arthur Moritz Schönflies|Arthur Schönflies]]<ref>{{cite book | last = Schönflies | first = A | authorlink = Arthur Moritz Schönflies | year = 1891 | title = Kristallsysteme und Kristallstruktur | publisher = Leipzig}}</ref> và sau này là [[William Barlow]].

▲[[Image:3D model hydrogen bonds in water.jpg|thumb|right|Tinh thể học tia X cho thấy sự sắp xếp của một phân tử nước trong đá, tiết lộ cho thấy liên kết hydro tạo ra đối xứng lục giác.]]

▲Tia X được khám phá ra bởi [[Wilhelm Conrad Röntgen]] năm 1895. Nó là sóng điện từ, hay một dạng khác của ánh sáng.

▲[[Image:Bragg diffraction.png|thumb|left|Chùm tia đi vào (từ phía trên bên trái) gây ra cho mỗi phát tán tỏa ra lại một phần nhỏ năng lượng dưới dạng sóng cầu. Nếu các phát tán được sắp xếp đối xứng với với khoảng phân cách ''d'', thì những sóng cầu này sẽ đồng bộ chỉ theo hướng mà sự chênh lệch chiều dài đường đi là 2 ''d'' sin θ bằng với gấp số nguyên lần [[bước sóng]] λ. Trong trường hợp đó, một phần của chùm tia đi vào bị làm lệch một góc 2θ, tạo ra một điểm nhiễu xạ trong mẫu nhiễu xạ.]]

▲Các tinh thể là các mảng cố định của các nguyên tử và tia X có thể được xem là các sóng điện từ. Các nguyên tử làm phân tán tia X, chủ yếu dựa vào các electron của nguyên tử; nó cũng giống như sóng biển đánh vào một ngọn hải đăng có các gờ đá bao quanh thì tạo ra một làn sóng nhỏ khác tỏa ra theo mọi hướng từ ngọn hải đăng đó, thì tia X đánh vào một electron bao quanh nguyên tử cũng tạo ra một sóng cầu tỏa ra từ electron đó. Hiện tượng này gọi là ''tán xạ'' (''scatterer''). Một mảng không thay đổi các tán xạ tạo ra một mảng cố định các sóng cầu. Mặc dù các sóng này triệt tiêu nhau theo hầu hết các hướng, chúng vẫn cọng lẫn nhau theo một vài hướng, tuân theo [[[định luật Bragg]].

▲[[Image:Diamond and graphite.jpg|thumb|right|Mặc dù [[kim cương]] (trên bên trái) và [[than chì]] (trên bên phải) là giống nhau về thành phần hóa học — đều hoàn toàn [[carbon]] — tinh thể học tia X cho thấy sự sắp xếp các nguyên tử (bên dưới), dẫn đến sự khác nhau về tính chất giữa chúng. Trong kim cương, các nguyên tử cácbon được sắp xếp theo khối tứ diện và được giữa với nhau bằng liên kết cộng hóa trị đơn, tạo cho nó kết nối mạnh theo mọi hướng. Ngược lại, than chì tạo bơi các lớp chồng lên nhau, trong đó nguyên tử cácbon liên kết lục giác bằng các liên kết đơn và đội, không có liên kết cộng hóa trị giữa các lớp.]]

▲Sau nghiên cứu tiên phong của von Laue, lĩnh vực này phát triển nhanh chóng, nổi tiếng nhất là hai nhà vậy lí [[William Lawrence Bragg]] và cha của ông [[William Henry Bragg]]. Năm 1912-1913, Bragg trẻ đã phát triển ra [[định luật Bragg]], liên kết tán xạ quan sát được với sự phản xạ từ các mặt phẳng có khoảng cách đều nhau bên trong tinh thể.<ref>{{cite journal | author = Bragg WL | authorlink = William Lawrence Bragg | date = 1912 | title = The Specular Reflexion of X-rays | journal = Nature | volume = 90 | pages = 410 | doi = 10.1038/090410b0 <!--Retrieved from CrossRef by DOI bot-->}}<br />{{cite journal | author = Bragg WL | authorlink = William Lawrence Bragg | date = 1913 | title = The Diffraction of Short Electromanetic Waves by a Crystal | journal = Proceedings of the Cambridge Philosophical Society | volume = 17 | pages = 43&ndash;57}}<br />{{cite journal | author = Bragg WL | authorlink = William Lawrence Bragg | date = 1914 | title = Die Reflexion der Röntgenstrahlen | journal = Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik | volume = 11 | pages = 350}}</ref>.

▲[[Image:Protein crystal.jpg|thumb|right|Một tinh thể protein được nhìn qua [[kính hiển vi]]. Tinh thể dùng trong tinh thể hóa tia X thường có bề ngang nhỏ hơn 1 [[millimeter]] .]]

▲[[Image:Kappa goniometer faster smaller.gif|frame|left|Minh hoạc cho thấy chuyển động của máy đo góc kết kappa 4 chu kì. Việc quay quanh một trong 4 góc bất kì φ, κ, ω và 2θ giúp đưa rõ tinh thể ra trước chùm tia X (màu cam), và đổi hướng cho phép nhiều không gian tương hỗ được quan sát. Cuối cùng, bộ nhận dạng (màu tía với màn hình đen) có thể điều chỉnh gần hoặc xa tinh thể, cho phép có thể chỉnh độ phân giải cao (nếu gần) hoặc nhìn thấy tốt hơn các đỉnh Bragg (nếu ở xa).]]

▲Vì cả tinh thể và chùm tia là rất nhỏ, nên tinh thể phải đặt ở giữa chùm tia với độ chính xác trong khoảng 25 microns, nhờ sự hỗ trợ của một camera được hội tụ ở tinh thể. Loại đo góc kế phổ dụng nhất là "kappa goniometer", loại thường có 3 góc xoay: góc ω , xoay quanh trục gần như vuông góc với chùm tia; góc κ , quay quanh trục vào khoảng 50° so với trục ω ; và góc φ quay quanh trục mao dẫn (loop/capillary axis). Khi góc κ là zero, thì các trục ω và φ trùng khớp.

▲[[Image:X-ray diffraction pattern 3clpro.jpg|thumb|Một mẫu nhiễu xạ tia X của một enzyme được tinh thể hóa. Mẫu tạo bởi các chấm đen (gọi là ''nhiễu xạ'') có thể được dùng để xây dựng lại cấu trúc của enzyme đó.]]

▲Khi một tinh thể được treo lên máy đo góc và được chiếu vào bằng chùm tia X cực mạnh ở phía trước, nó sẽ làm phát tán chùm tia X đó và tạo ra mẫu các điểm đen hay là ''nhiễu xạ'' mà có thể được quan sát thông qua màn hình nằm phía sau tinh thể. Cường độ mạnh yếu khác nhau của tia phản xạ có thể cho ta biết được sự sắp xếp của các phân tử bên trong tinh thể ở mức nguyên tử. Cường độ này được đo đạc dựa vào [[phim nhiếp ảnh]], một bộ nhận dạng diện tích (''area detector'') hay thiết bị cảm ứng hình cảnh '''charge-coupled device''' ('''CCD'''). Đỉnh có góc nhỏ sẽ tương ứng với dữ liệu có độ phân giải thấp, trong khi đỉnh (peak) có góc cao sẽ cho ra dữ liệu có độ phân giải cao.

▲Một hình ảnh các điểm (''spot'') thì không đủ để xây dựng lại toàn bộ cấu trúc tinh thể; nó chỉ là một lát nhỏ trong toàn bộ biến đổi Fourier. Để thu thập mọi thông tin cần thiết, tinh thể phải được xoay từng bước cho đến hết một góc 180°, với mỗi ảnh sẽ được lưu lại tại mỗi bước. Tuy nhiên, vì tinh thể có tính đối xứng cao, nên có thể dùng một góc xoay nhỏ hơn, như 90° hay 45°. Trục xoay cũng nên được đổi ít nhất 1 lần, để tránh việc phát triển các ''điểm mù'' ("blind spot"). Thông thừong nên lắc cho tinh thể dịch đôi chút (cỡ 0.5-2°).

▲[[de:Kristallstrukturanalyse]]