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Aufgabe

BRAGG-Gleichung - Formelumstellung

Schwierigkeitsgrad: leichte Aufgabe

Um Aufgaben zur BRAGG-Gleichung zu lösen musst du häufig die Gleichung \(k \cdot \lambda = 2 \cdot d \cdot \sin\left(\theta_n\right)\) nach einer Größe auflösen, die unbekannt ist. Wie du das machen kannst, siehst du in der folgenden Animation.

Um die Gleichung\[{\color{Red}{{k}}} \cdot {{\lambda}} = {{2}} \cdot {{d}} \cdot \sin\left({{\theta_k}}\right)\]nach \({\color{Red}{{k}}}\) aufzulösen, musst du eine Umformung durchführen:


Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({{\lambda}}\). Auf der linken Seite der Gleichung kürzt sich \({{\lambda}}\) weg.
\[{\color{Red}{{k}}} = \frac{{{2}} \cdot {{d}} \cdot \sin\left({{\theta_k}}\right)}{{{\lambda}}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{{k}}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{{k}} \cdot {\color{Red}{{\lambda}}} = {{2}} \cdot {{d}} \cdot \sin\left({{\theta_k}}\right)\]nach \({\color{Red}{{\lambda}}}\) aufzulösen, musst du eine Umformung durchführen:


Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({{k}}\). Auf der linken Seite der Gleichung kürzt sich \({{k}}\) weg.
\[{\color{Red}{{\lambda}}} = \frac{{{2}} \cdot {{d}} \cdot \sin\left({{\theta_k}}\right)}{{{k}}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{{\lambda}}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{{k}} \cdot {{\lambda}} = {{2}} \cdot {\color{Red}{{d}}} \cdot \sin\left({{\theta_k}}\right)\]nach \({\color{Red}{{d}}}\) aufzulösen, musst du zwei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.
\[{{2}} \cdot {\color{Red}{{d}}} \cdot \sin\left({{\theta_k}}\right) = {{k}} \cdot {{\lambda}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({{2}} \cdot \sin\left({{\theta_k}}\right)\). Auf der linken Seite der Gleichung kürzen sich \({{2}}\) und \(\sin\left({{\theta_k}}\right)\) weg.
\[{\color{Red}{{d}}} = \frac{{{k}} \cdot {{\lambda}}}{{{2}} \cdot \sin\left({{\theta_k}}\right)}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{{d}}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{{k}} \cdot {{\lambda}} = {{2}} \cdot {{d}} \cdot \sin\left({\color{Red}{{\theta_k}}}\right)\]nach \({\color{Red}{{\theta_k}}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.
\[{{2}} \cdot {{d}} \cdot \sin\left({\color{Red}{{\theta_k}}}\right) = {{k}} \cdot {{\lambda}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({{2}} \cdot {{d}}\). Auf der linken Seite der Gleichung kürzen sich \({{2}}\) und \({{d}}\) weg.
\[\sin\left({\color{Red}{{\theta_k}}}\right) = \frac{{{k}} \cdot {{\lambda}}}{{{2}} \cdot {{d}}}\]
Wende auf beiden Seiten der Gleichung den \(\arcsin\) an. Wegen \(\arcsin\left(\sin\left(\alpha\right)\right)=\alpha\) ergibt sich\[{\color{Red}{{\theta_k}}} = \arcsin\left(\frac{{{k}} \cdot {{\lambda}}}{{{2}} \cdot{{d}}}\right)\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{{\theta_k}}}\) aufgelöst.
Abb. 1 Schrittweises Auflösen der BRAGG-Gleichung nach den vier in der Formel auftretenden Größen
a)

RÖNTGEN-Strahlung der Wellenlänge \(150\,{\rm{pm}}\) wird an einem NaCl-Kristall mit dem Netzebenenabstand \(282\,{\rm{pm}}\) unter einem Winkel von \(53{,}0^\circ \) reflektiert.

Berechne die Ordnung dieser reflektierten Strahlung.

b)

Das Spektrum erster Ordnung von RÖNTGEN-Strahlung an einem NaCl-Kristall mit dem Netzebenenabstand \(282\,{\rm{pm}}\) ist unter einem Winkel von \(6{\textstyle{5 \over 6}}^\circ \) zu beobachten.

Berechne die Wellenlänge der RÖNTGEN-Strahlung.

c)

RÖNTGEN-Strahlung der Wellenlänge \(25{,}0\,{\rm{pm}}\) fällt auf ein Graphit-Kristall. Unter dem Glanzwinkel von \(11{,}7^\circ \) kann zum zweiten Mal intensive BRAGG-Streuung beobachtet werden.

Berechne den Netzebenenabstand von Graphit.

d)

Bei der BRAGG-Streuung von RÖNTGEN-Strahlung der Wellenlänge \(146\,{\rm{pm}}\) an einem NaCl-Kristall mit dem Netzebenenabstand \(282\,{\rm{pm}}\) soll das Maximum \(3.\) Ordnung gemessen werden.

Berechne die Weite des Winkels, unter der dieses Maximum zu beobachten ist.

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a)

Mit \(\lambda = 150\,\rm{pm}=150 \cdot {10^{-12}}\,{\rm{m}}\), \(d=282\,{\rm{pm}}=282 \cdot {10^{-12}}\,{\rm{m}}\) und \(\theta_n=53{,}0^\circ\) erhalten wir mit der BRAGG-Gleichung\[k \cdot \lambda  = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k  \right) \Leftrightarrow k = \frac{{2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k  \right)}}{\lambda}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[k = \frac{{2 \cdot 282 \cdot {{10}^{ - 12}}\,{\rm{m}} \cdot \sin \left( {{{53{,}0}^\circ }} \right)}}{{150 \cdot {{10}^{ - 12}}\,{\rm{m}}}} \approx 3\]

b)

Mit \(k = 1\), \(d=282\,{\rm{pm}}=282 \cdot {10^{-12}}\,{\rm{m}}\) und \(\theta_1=6{\textstyle{5 \over 6}}^\circ\) erhalten wir mit der BRAGG-Gleichung\[k \cdot \lambda  = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k  \right) \Leftrightarrow \lambda = \frac{{2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k  \right)}}{k}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[\lambda = \frac{2 \cdot 282 \cdot 10^{-12}\,\rm{m} \cdot \sin \left( 6{\textstyle{5 \over 6}}^\circ \right)}{1} =6{,}71 \cdot 10^{-11}\,\rm{m}=67{,}1\,\rm{pm}\]

c)

Mit \(k=2\), \(\lambda = 25{,}0\,{\rm{pm}}=25{,}0 \cdot {10^{-12}}\,{\rm{m}}\) und \(\theta_2=11{,}7^\circ\) erhalten wir mit der BRAGG-Gleichung\[k \cdot \lambda  = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k  \right) \Leftrightarrow d = \frac{{k \cdot \lambda }}{{2 \cdot \sin \left( {{\theta_k}} \right)}}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[d = \frac{{2 \cdot 25{,}0 \cdot {{10}^{ - 12}}\,{\rm{m}}}}{{2 \cdot \sin \left( {11{,}7^\circ } \right)}} = 1{,}23 \cdot {10^{ - 10}}\,{\rm{m}} = 123\,{\rm{pm}}\]

d)

Mit \(k=3\), \(\lambda = 146\,\rm{pm}=146 \cdot {10^{-12}}\,{\rm{m}}\) und \(d=282\,{\rm{pm}}=282 \cdot {10^{-12}}\,{\rm{m}}\) erhalten wir mit der BRAGG-Gleichung\\[k \cdot \lambda  = 2 \cdot d \cdot \sin \left( \theta_k  \right) \Rightarrow {\theta_k} = \arcsin \left( {\frac{{k \cdot \lambda }}{{2 \cdot d}}} \right)\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[{\theta_3} = \arcsin \left( {\frac{{3 \cdot 146 \cdot {{10}^{ - 12}}\,{\rm{m}}}}{{2 \cdot 282 \cdot {{10}^{ - 12}}\,{\rm{m}}}}} \right) = 50{,}9^\circ \]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Optik

Beugung und Interferenz