37 Лекция 17. Рентгеновское и нейтронное рассеяние. Кристаллография лекция 17. Рентгеновское и нейтронное рассеяние. Кристаллография

РЕНТГЕНОВСКАЯ И НЕЙТРОННАЯ ДИФРАКЦИЯ

В дифракционных экспериментах волны излучения, рассеиваемые различными объектами, интерферируют, вследствие чего возникает видимая картина, на основе которой можно сделать вывод об относительной конфигурации (или структуре) объектов. Интерференционная картина появляется, когда длина волны излучения аналогична либо меньше, чем расстояния, разделяющие объекты. Радиоволны с длиной волны в несколько метров, например, испытывают дифракцию от зданий в городе. Длины атомных связей близки к 1 Å (10−10 м). На практике в экспериментах по исследованию биологических макромолекул с помощью дифракции используются три типа излучения: рентгеновские лучи с длиной волны около 1 Å, электроны с длиной волны около 0,01 Å и нейтроны с длиной волны около 0,5–10 Å.

Близость длины волны с характерными размерами изучаемой структуры – не единственный критерий для определения пригодности излучения. Оно также должно иметь подходящие свойства взаимодействия с веществом: оно не должно слишком сильно поглощаться и должно рассеиваться с достаточной эффективностью и, конечно же, должны быть в наличии источники излучения соответствующей интенсивности. Рентгеновские лучи и нейтроны в общих чертах удовлетворяют этим критериям. Существуют значительные различия в том, что касается их взаимодействия с веществом, однако это делает их взаимодополняющими при исследованиях биологических молекулярных структур методом дифракции.

Рассеяние на точечном атоме

Объект и картина рассеиваемых им волн связаны преобразованием Фурье (Fourier). Точка (точечный рассеиватель) рассеивает волну с равной амплитудой во всех направлениях.l. Другими словами, преобразование Фурье дельта-функции Дирака (точка) – это постоянная амплитуда, не зависящая от направления рассеяния.

Рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов

Нейтроны

Рассеяние нейтронов атомными ядрами является сложным процессом. Поскольку длина волны нейтрона в дифракционных экспериментах с (λ ~ 1 Å =10⁻¹⁰ м) намного превышает размеры атомного ядра (~ 10⁻¹⁵ м), ядра действуют как точечные рассеиватели. Точка рассеивает волну изотропно, т.е., одинаково во всех направлениях. Более тяжелые элементы не доминируют в нейтронном рассеянии, а рассеивающая способность различных изотопов одного и того же элемента может очень сильно отличаться. Случай водорода (¹H) и дейтерия (²H или D) представляет особый интерес в структурной биологии. Атомы H и D в достаточной степени отличаются друг от друга по способности рассеивать нейтроны и это различие дает возможность проведения весьма полезных экспериментов с введением изотопической метки для наблюдения атомов водорода и молекул воды в биологических образцах.

Нейтроны и протоны (независимо от того, находятся они в атомных ядрах или в пучках) являются квантово-механическими частицами со спином равным ½. Поэтому способность ядра к рассеянию нейтронов также зависит от взаимной ориентации спинов в пучке нейтронов и в ядре. Спины нейтронов и ядра могут быть поляризованы (ориентированы) магнитным полем. Однако в большинстве экспериментов с дифракцией используются неполяризованные пучки и образцы, таким образом, ядра одного и того же типа в образце рассеивают нейтроны с различной способностью в зависимости от спин-спиновой ориентации. Распределение спин-спиновых ориентаций нейтрон–протон в образце является произвольным, что приводит к сильной некогерентной составляющей рассеяния. Некогерентное рассеяние больше для протонов (ядро водорода); в результате чего водородсодержащие образцы дают сильный фоновый сигнал в экспериментах с дифракцией нейтронов, который не содержит информации о структуре. Однако, анализ некогерентного нейтронного рассеяния содержит информацию о молекулярной динамике образца.

Рентгеновские лучи

Рентгеновские лучи рассеиваются электронами. Электронные оболочки атомов относятся к той же шкале длин, что и длины волн рентгеновского излучения (~ Å), поэтому, рассеивающие атомы имеют вид протяженных объектов и не могут рассматриваться как точки. Рассеяние уменьшается с увеличением угла. Форма атома, как ее "видит" пучок рентгеновских лучей, учитывается при описании углового распределения его рассеивающей способности в виде "форм-фактора ".

Рассеивающая способность атома в рентгеновских лучах возрастает просто с увеличением числа его электронов. Изотопный эффект отсутствует, поскольку изотопы одного и того же элемента имеют одинаковое число электронов. Атомы тяжелых элементов преобладают в дифракционной картине, что позволяет их использовать в качестве меток в кристаллографии (тяжелые атомы). Атомы водорода, всего с одним электроном каждый, могут быть "видны" для рентгеновских лучей, только если они организованы в кристаллографический порядок в очень высокой степени, и когда используются пучки высокой интенсивности, доступные сейчас с помощью синхротронного излучения.