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Systematik der Strukturvarianten Geschichte

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Winkelvermessung

Frühe Studien zur Kristallographie widmeten sich der äußere Form und der Symmetrie makroskopischer Kristalle. Durch sorgfältige Messung der Winkel zwischen verschiedenen Kristalloberflächen kann die Symmetrie bestimmt werden, die damals eine wichtige Grundlage für die Klassifizierung von Kristallen war.

Nicolaus Steno (Niels Steensen) (11.01.1638 - † 05.12.1686) entdeckte und veröffentlichte 1669 die Winkelkonstanz zwischen den Seitenflächen des Bergkristalls, unabhangig von seiner Größe und Ausbildung der Flächen des Kristalls.

Das Steno'sche Gesetz besagt, dass die Winkel zwischen zwei korrespondierenden Flächen auf den Kristallen einer festen chemischen oder mineralischen Art konstant und für die Art charakteristisch sind. Dieser Winkel wird zwischen senkrecht zu jeder Fläche gezogenen Linien gemessen. Dieses Gesetz, das auch als Gesetz der Konstanz der Grenzflächenwinkel bezeichnet wird, gilt für zwei beliebige Kristalle, unabhängig von ihrer Größe, dem Ort ihres Vorkommens oder davon, ob sie natürlich oder künstlich hergestellt sind.[1] [2]

Im Jahr 1772 bestätigte der französische Mineraloge Jean-Baptiste L. Romé de l'Isle die Erkenntnisse von Steno und stellte außerdem fest, dass die Winkel für die Substanz charakteristisch sind.

Nicolaus Steno (Nicolas Stenon, Niels Steensen)
Nicolaus Steno (Nicolas Stenon, Niels Steensen)
(* 11. Januar 1638 in Kopenhagen, Königreich Dänemark; † 5. Dezember 1686)
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Nicolaus Steno (Nicolas Stenon, Niels Steensen)

(* 11. Januar 1638 in Kopenhagen, Königreich Dänemark; † 5. Dezember 1686)

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Ellipsoidförmige kleinsten Teilchen

1670 wurde die Doppelbrechung des Lichtes am isländischen Kalkspat entdeckt. Christiaan Huyghens (1629 - † 1695) stellte in seinem Traité de la lumière eine Hypothese über den Aufbau der häufigsten regelmäßig geformten Stoffe wie Quarz, Diamant, Salz, Kalkspat etc. auf. Er vermutete aneinanderliegende ellipsoidförmige kleinsten Teilchen.[3]

Die Hypothese konnte drei bisher ungekläre Beobachtungen begründen. Die unterschiedliche Spalbarkeit nach Richtung, die regelmäßige Formbildung und die Doppelbrechung beim Kalkspat (Calcit).

Christiaan Huygens 1671
Christiaan Huygens 1671
(* 14. April 1629 in Den Haag; † 8. Juli 1695 ebenda)
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Christiaan Huygens 1671

(* 14. April 1629 in Den Haag; † 8. Juli 1695 ebenda)

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Korpuskulare Theorie der Kristalle

Robert Hooke (18.07.1635 - † 14.04.1703) beobachtete unter seinem Mikroskop winzige Kristalle mit regelmäßig geformten Flächen. Er schloß daraus, dass Kristalle aus identischen kugelförmigen Teilchen zusammengesetzt sind. Die strukturierte Anordnung dieser Kugeln führte zu regelmäßigen Kristallflächen. So können beispielsweise drei Kugeln gleichseitige Dreiecke bilden, während vier Kugeln Rauten und fünf Kugeln gleichschenklige Trapeze bilden können.

Hooke behauptete auch, dass vier Kugeln ein Tetraeder bilden können, aber er beschrieb keine anderen möglichen dreidimensionalen Strukturen. William Hyde Wollaston (06.08.1766 - † 22.12.1828) entwickelte die Hooke'sche Theorie weiter. Er analysierte die Packung von kugelförmigen, ellipsoiden und unterschiedlich großen Teilchen[4]

Robert Hooke
Robert Hooke
Robert Hooke (Von Rita Greer / Free Art License 1.3)
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Robert Hooke

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Konstituierende Moleküle

Rene-Just Haüy (28.02.1743 - † 03.06.1822) stelle erstmals Ende des 18. Jahrhunderts einen mathematischen Zusammenhang zwischen der sichtbaren Form eines Kristalls und seiner mikroskoopischen Periodizität her. Ein Zufall im Jahr 1781 als er versehntlich einen Kalkspat zerbrach brachte ihn auf die Fährte. in den zerprochenen Kristallstücken fand er winzige Rhomboeder, eine Kleinausgabe des Ursprungskristalls.

Die anschließende systematischen Erforschung des Zerteilens von Kristallen schloss Haüy, dass ein Kristall die geordnete Anordnung von Mikrobausteinmolekülen ist, und entwickelte eine mathematische Theorie, um sie in Beziehung zu setzen. Haüys "konstituierende Moleküle" sind eine vage Vorstellung der modernen Moleküle. Die konstituierenden Moleküle sind eigentlich mikrogeometrische Formen. Verschiedene Kristalle setzen sich aus verschiedenen konstituierenden Molekülen zusammen.[5]

René Haüy
René Haüy
28. Februar 1743 - 3. Juni 1822
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René Haüy

28. Februar 1743 - 3. Juni 1822

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Vorhersage von Kristallstrukturen

Schon vor der Erfindung der Röntgenbeugungsmethode sagten Wissenschaftler einige mögliche Kristallstrukturen voraus. Ein gutes Beispiel ist eine Reihe von Kristallstrukturen, die William Barlow (08.08.1845 – 28.02.1934) 1897 veröffentlichte. Für einen Kristall, der nur aus einer Art von Atomen bestand, betrachtete er alle Atome als feste Kugeln. Infolgedessen entsprach die Kristallstruktur der engsten Packung solcher fester Kugeln. Barlow analysierte die engste Packung von zwei Arten von Kugeln weiter und sagte die Strukturen ähnlich wie NaCl und CsCl korrekt voraus.

William Barlow
William Barlow
(* 8. August 1845 in Islington, London; † 28. Februar 1934 in Great Stanmore, Middlesex)
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William Barlow

(* 8. August 1845 in Islington, London; † 28. Februar 1934 in Great Stanmore, Middlesex)

Walter Stoneman

Röntgenbeugungsexperimente

Der große Durchbruch in der Kristallographie kam mit den Röntgenbeugungsexperimenten von Max von Laue (09.10.1879 - † 24.04.1960) im Jahr 1902. Bis zu diese Zeitpunkt konnte die Struktur eines Kristalls nur erahnt werden. Dies war der Beginn der genauen Analyse der Struktur von Kristallen. 1914 bekam er für seine Entdeckung den Nobelpreis. Max von Laue fragte sich, ob beim Durchgang eines Röntgenstrahls durch einen Kristall dieser gebeugt würde. Die charakteristische Wellenlänge von Röntgenstrahlen liegt nahe am Abstand zwischen den Atomen in einem Kristall. Nach einigen Monaten experimentieren gelang es Ihm und zwei Experimentatoren das erste Foto der Röntgenbeugung aufzunehmen.[6]

Erstes Foto der Röntgenbeugung
Erstes Foto der Röntgenbeugung
Physiker Max Laue zeigt wie Röntgenstrahlen von Kristallen gebeugt werden, in diesem Fall ein Zink-Sulfid-Kristall.
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Erstes Foto der Röntgenbeugung

Physiker Max Laue zeigt wie Röntgenstrahlen von Kristallen gebeugt werden, in diesem Fall ein Zink-Sulfid-Kristall.

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Max von Laue
Max von Laue
Foto: 1929; (* 9. Oktober 1879 in Pfaffendorf (heute Koblenz); † 24. April 1960 in West-Berlin)
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Max von Laue

Foto: 1929; (* 9. Oktober 1879 in Pfaffendorf (heute Koblenz); † 24. April 1960 in West-Berlin)

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Genaue Analyse der Anordnung

Die späteren Nobelpreisträger Sir William Henry Bragg und sein Sohn William Lawrence Bragg führten ab 1909 die genaue Analyse der Anordnung der Atome im Kristall ein. Während Max von Laue die gebeugten Röntgenstrahlen fälschlicherweise als Folge der Anregung durch die Wechselwirkung der einfallenden Röntgenstrahlen mit dem Kristall interpretierte waren es Sir William Henry Bragg und sein Sohn William Lawrence die erkannten, dass die Beugung in Wirklichkeit das Ergebnis der Reflexion von Röntgenstrahlen an bestimmten Kristallebenen war und der Abstand zwischen diesen Ebenen die berühmte Braggsche Gleichung erfüllen sollte. Nach diesem Prinzip änderten sie die Konfiguration des Geräts von Transmission zu Reflexion. Mit ihren Beiträgen wurde die Lösung einer Kristallstruktur endlich Realität, und die Strukturanalyse von NaCl und Diamant waren damals sehr wichtige Ergebnisse.

Die Bestimmung der Struktur ist eine Voraussetzung für das Verständnis der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Materialien. Hierfür bekamen Sie 1915 den Nobelpreis in Physik.

Sir William Henry Bragg
Sir William Henry Bragg
(* 2. Juli 1862 in Wigton, Cumberland; † 12. März 1942 in London)
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Sir William Henry Bragg

(* 2. Juli 1862 in Wigton, Cumberland; † 12. März 1942 in London)

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Einzelnachweise

  • 1. Nicolaus Stenos Dissertation - https://archive.org/details/ita-bnc-mag-00001426-001
  • 2. Britannica English vocabulary
  • 3. Huygens, Christiaan - Chez Pierre vander Aa, marchand libraire, A Leide, 1690 - Traité de la lumière - https://library.si.edu/digital-library/book/traiteydelalumi00huyg
  • 4. Chritoph Meinel - Das letzte Blatt im Buch der Natur - Die Wirklichkeit der Atome und die Antinomie der Anschauung in den Korpuskulartheorien der frühen Neuzeit
  • 5. P. Groth, Entwicklungsgeschichte der Mineralogischen Wissenschaften - Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1926 - https://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2F978-3-662-41394-4_2.pdf
  • 6. W. Friedrich, P. Knipping, M. Laue - Interferenzerscheinungen bei Röntgenstrahlen - Erstveröffentlichung 1913 - https://doi.org/10.1002/andp.19133461004