Laue-Bedingung

Die Laue-Bedingung, nach Max von Laue, ist eine zur Bragg-Bedingung äquivalente Beschreibung von Beugungseffekten an Kristallen. Sie gibt Auskunft über das Auftreten von Beugungsreflexen bei elastischer Streuung von Röntgenstrahlung, Elektronen oder Neutronen an Kristallen.

Zur Erklärung der Röntgenbeugung gibt es zwei äquivalente Ansätze. In beiden werden Kristalle als starre periodische Strukturen von mikroskopischen Objekten angesehen. Bei der Bragg-Theorie werden die Atome im Kristall in parallelen Gitterebenen mit konstantem Abstand angeordnet. An diesen Ebenen kommt es zur spiegelnden Reflexion der Strahlung. Bei der von-Laue-Theorie geht man von anderen Annahmen aus:

• Beschreibe den Kristall als Bravaisgitter
• An den Gitterplätzen sitzen identische mikroskopische Objekte, die die einfallende Strahlung streuen
• Reflexe nur in Richtungen, für die von den Gitterpunkten gestreute Strahlung konstruktiv interferiert

Die Laue-Bedingung lautet: Man erhält genau dann konstruktive Interferenz, wenn die Änderung des Wellenvektors beim Streuprozess einem reziproken Gittervektor entspricht.

Die Laue-Bedingung geht vom reinen Kristallgitter (am Gitterpunkt ein punktförmiges Streuzentrum) aus und gibt an, in welcher Richtung Beugungsreflexe beobachtet werden können. Die relative Intensität der Reflexe hängt vom Aufbau der Basis, dem Streuvermögen der Basisatome und von der thermischen Bewegung der Atome ab, dies wird durch den Strukturfaktor beschrieben.

Herleitung der Laue-Bedingung

Der Abstand zweier Streuzentren (Gitterpunkte) ist ein Gittervektor Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec R . Der Wellenvektor der einfallenden Strahlung sei $ {\vec {k}} $, der der gestreuten sei $ {\vec {k}}' $. Damit ergibt sich folgender Gangunterschied (Wegdifferenz)^[1]:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Delta x=\vec{R}\cdot\frac{\vec{k}}{k}-\vec{R}\cdot\frac{\vec{k}'}{k'}

Für konstruktive Interferenz muss der Gangunterschied ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge $ \lambda $ sein:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Delta x=m\lambda, \quad m\in\mathbb{Z}

Gleichsetzen liefert:

$ {\vec {R}}\cdot \left({\frac {\vec {k}}{k}}-{\frac {{\vec {k}}'}{k'}}\right)=m\lambda $

Geht man von elastischer Streuung aus, ist die Wellenzahl von einfallenden und reflektierten Strahl gleich: Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): k=k'=\frac{2\pi}{\lambda} . Für alle Gittervektoren $ {\vec {R}} $ muss gelten:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec{R}\cdot\left(\vec{k}-\vec{k}'\right)=2\pi m bzw. äquivalent $ e^{i\,{\vec {R}}\cdot ({\vec {k}}-{\vec {k}}')}=1 $

Dies entspricht genau der Bestimmungsgleichung für reziproke Gittervektoren $ {\vec {K}} $^[2]:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): e^{i\,\vec{R}\cdot\vec{K}}=1

Die Laue-Bedingung lautet somit: Man erhält genau dann konstruktive Interferenz, wenn die Änderung des Wellenvektors beim Streuprozess einem reziproken Gittervektor entspricht.

$ {\vec {k}}-{\vec {k}}'={\vec {K}} $ bzw. Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Delta\vec{k}=\vec{K}

Zur Veranschaulichung der Laue-Bedingung siehe Ewaldkugel.

Laue-Gleichungen

Reziproke Gittervektoren lassen sich als Linearkombination der primitiven Gittervektoren des reziproken Gitters $ {\vec {b}}_{i} $ ausdrücken, dabei sind Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): h_i\in\mathbb{Z} die Millerschen Indizes (normalerweise $ h,k,l $, hier aber Verwechslungsgefahr mit Wellenzahl $ k $, deswegen $ h_{1},h_{2},h_{3} $):

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec{K}=h_{1}\vec{b}_{1}+h_{2}\vec{b}_{2}+h_{3}\vec{b}_{3}

Ebenso lassen sich die Gittervektoren als Linearkombination der primitiven Gittervektoren $ {\vec {a}}_{i} $ darstellen mit $ n_{i}\in \mathbb {Z} $:

$ {\vec {R}}=n_{1}{\vec {a}}_{1}+n_{2}{\vec {a}}_{2}+n_{3}{\vec {a}}_{3} $

Das Skalarprodukt aus primitiven Gittervektoren des Ortsraums Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec{a}_j und des reziproken Raums Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec{b}_i ist:

$ {\vec {b}}_{i}\cdot {\vec {a}}_{j}=2\pi \delta _{ij} $

Bildet man das Skalarprodukt der obigen Laue-Bedingung Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \Delta\vec{k}=\vec{K} mit den primitiven Ortsvektoren, erhält man die drei Laue-Gleichungen:

$ {\vec {a}}_{1}\cdot \Delta {\vec {k}}=2\pi h_{1} $

$ {\vec {a}}_{2}\cdot \Delta {\vec {k}}=2\pi h_{2} $

$ {\vec {a}}_{3}\cdot \Delta {\vec {k}}=2\pi h_{3} $

Alternative Formulierung der Laue-Bedingung

Man kann die Laue-Bedingung noch in alternativer Form schreiben. Man quadriere die Laue-Bedingung $ {\vec {k}}'={\vec {k}}-{\vec {K}} $ und benutze $ k=k' $:

$ k^{2}=k^{2}-2{\vec {k}}\cdot {\vec {K}}+K^{2} $ also $ {\vec {k}}\cdot {\vec {K}}={\frac {1}{2}}K^{2} $

Teile durch $ K $:

$ {\vec {k}}\cdot {\frac {\vec {K}}{K}}={\frac {1}{2}}K $

Für ein gegebenes $ {\vec {K}} $ ist dies eine Ebenengleichung in der Hesse-Normalenform. Die Projektion von Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec{k} auf die Richtung von Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec{K}/K ist konstant Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): K/2 . Ein Wellenvektor der einfallenden Strahlung $ {\vec {k}} $ erfüllt die Laue-Bedingung, wenn seine Spitze in einer Bragg-Ebene liegt. Eine Bragg-Ebene ist die mittelsenkrechte Ebene auf der Verbindungslinie zwischen dem Ursprung im reziproken Raum und einem Punkt $ {\vec {K}} $. Diese Ebenengleichung entspricht für benachbarte Punkte im reziproken Raum der Konstruktionsvorschrift der Wigner-Seitz-Zelle des reziproken Gitters (erste Brillouin-Zone).

Daraus folgt die Alternative Formulierung der Laue-Bedingung: Man erhält genau dann konstruktive Interferenz, wenn die Spitze des einfallenden Wellenvektors auf dem Rand einer Brillouin-Zone liegt.

Äquivalenz von Laue- und Bragg-Bedingung

Geht man von $ {\vec {k}}\cdot {\vec {K}}=K^{2}/2 $ und $ {\vec {K}}={\vec {k}}-{\vec {k}}' $ aus, so ergibt sich:

$ {\vec {k}}\cdot ({\vec {k}}-{\vec {k}}')={\frac {1}{2}}K^{2} $

Der Winkel zwischen Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec{k} und $ {\vec {k}}' $ sei $ 2\Theta \, $:

$ k^{2}\underbrace {\left(1-\cos(2\Theta )\right)} _{2\sin ^{2}(\Theta )}={\frac {1}{2}}K^{2} $

Radizieren liefert:

$ 2k\sin(\Theta )=K\, $

Das Skalarprodukt zwischen einem reziproken Gittervektor und einem Gittervektor ergibt:

$ 2\pi n={\vec {K}}\cdot {\vec {R}}=K\underbrace {R\cos(\alpha )} _{d},\quad n\in \mathbb {Z} $ somit $ K={\frac {2\pi n}{d}} $

Für ein gegebenes Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): \vec{K} ist dies eine Ebenengleichung für eine Gitterebene, wobei $ {\vec {K}} $ senkrecht auf dieser Ebene steht. Schreibt sich $ {\vec {K}} $ als folgende Linearkombination $ {\vec {K}}=h_{1}{\vec {b}}_{1}+h_{2}{\vec {b}}_{2}+h_{3}{\vec {b}}_{3} $, so steht der Vektor senkrecht auf der Gitterebene $ (h_{1},h_{2},h_{3}) $. Der Gitterebenenabstand $ d $ ist

$ d={\frac {2\pi }{K}}={\frac {2\pi }{|h_{1}{\vec {b}}_{1}+h_{2}{\vec {b}}_{2}+h_{3}{\vec {b}}_{3}|}} $.

Mit $ k=2\pi /\lambda $ und $ K=2\pi n/d $ erhält man aus $ 2k\sin(\Theta )=K $ die Bragg-Bedingung (n entspricht der Ordnung des Beugungsreflexes):

$ 2d\sin(\Theta )=n\lambda \, $

Beugungsreflex

• nach Laue: Änderung des Wellenvektors um reziproken Gittervektor $ {\vec {K}} $
• nach Bragg: Reflexion an Netzebenenschar des Kristallgitters, die senkrecht zu $ {\vec {K}} $ steht und deren Abstand $ d={\frac {2\pi }{K}} $ beträgt.

Literatur

• Martin J. Buerger: Kristallographie. 1 Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 1977, ISBN 3-11-004286-x.
• Neil W. Ashcroft, N. David Mermin: Festkörperphysik. 2. Auflage. Oldenbourg, München 2005, ISBN 3-486-57720-4.

Einzelnachweise