Moderne Röntgenbeugung

Im Kapitel 5 wurde aufgezeigt, wie das Beugungsdiagramm oder Diffraktogramm einer polykristallinen Probe zustande kommt. Das Diffraktogramm einer untersuchten Probe sollte als erstes qualitativ ausgewertet werden. Bei dieser Auswertung soll festgestellt werden, welche kristallinen Phasen dem Diffraktogramm zugeordnet werden können. Man spricht dabei von der qualitativen Phasenanalyse.

Die regelmäßige Anordnung von Atomen und damit die Kristallbildung erfolgt aus Gründen der Energieminimierung des Gesamtsystems. Für ganz bestimmte Atomabstände – Bindungsabstände ergeben sich lokale Minima der Energie, die äußerst stabil sind. Der räumliche Abstand dieser Minima in einem Kristall ist ein »Fingerabdruck« der Atomanordnung. Die dabei möglichen Kristallsysteme, die sich ausbildenden Elementarzellen mit einer Atombelegung abweichend von primitiven Elementarzellen können äußerst exakt mit der Röntgenbeugung ermittelt werden. Diesen Vorgang nennt man Strukturbestimmung. Bestimmt man dagegen vorwiegend nur die Abstände der Atome und die Längen der Elementarzellenabschnitte, dann wird dieser Vorgang Präzisionszellparameterbestimmung (Präzisionsgitterkonstantenbestimmung) genannt. Da die Abstände zwischen den Atomen abhängig von der Temperatur, dem Legierungsgehalt und auch von inneren mechanischen Spannungen gering variieren können, sind anstatt des Begriffes Gitterkonstantenbestimmung im nachfolgenden immer der Begriff Zellparameterbestimmung verwendet worden.

In ihrem klassischen Experiment aus dem Jahr 1912 hatten Laue, Friedrich und Knipping weiße, also polychromatische Röntgenstrahlung verwendet, um damit an einem Einkristall den Effekt der Beugung kurzwelligen Röntgenlichtes am Kristall nachzuweisen. Da technische Werkstoffe in der Regel nicht als Einkristall, sondern in Form von Polykristallen mit mehr oder weniger regelloser Kristallitorientierung vorliegen, stellt sich die Frage, was passiert wäre, wenn die drei Pioniere der Röntgenbeugung anstelle eines Kupfervitrioleinkristalls eine beliebige pulverförmige Substanz verwendet hätten. Anhand einfacher Überlegungen wird schnell klar, dass das Ergebnis dieses Experimentes weitaus weniger spektakulär ausgefallen wäre. Bei der Behandlung des Laue-Verfahrens, Kapitel 5.9.1, war gezeigt worden, dass jeder Einkristall entsprechend seiner Orientierung zum einfallenden Strahl ein ganz spezielles Beugungsmuster liefert. Bereits das Vorliegen mehrerer gegeneinander fehlorientierter Kristallite führt jedoch zu erheblichen Schwierigkeiten bei der Indizierung der Laue-Diagramme, da sich die Anzahl der Beugungsreflexe vervielfacht. Setzt man diesen Gedankengang nun weiter fort und betrachtet eine polykristalline (Pulver-)Probe mit einer sehr großen Anzahl von Kristalliten, die von polychromatischer Strahlung getroffen werden, so gelangt man zu der Schlussfolgerung, dass der gesamte Film eine mehr oder weniger homogene Schwärzung erfahren würde.