xray crysto n fourier transform

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Mail to a friend Print this article When a monochomatic  Xray di  ff racts o  ff a crystal it  performs  part of  a mathematical  operation:  the Fourier transform... Tony Phillips Stony Brook University Email Tony Phillips Introduction Xray crystallography has  been essential, since the  beginning of the 20th century, to our understanding of mater; recently, as knowledge of the chemical composition of proteins has progressed, the determination of their 3dimensional structure has  become indispensable for the correct interpretation of their functions. Our main access to this information is Xray crystallography . (Xrays are used  because their wavelengths are on the order of interatomic distances in molecules, in the range 1100 Å ; one Å is m). Mathematics enters into the process at two stages. The study of space  groups tells what  periodic congurations are possible in threespace; in fact these are often called ʺcrystallographic groupsʺ by mathematicians. The other connection, the subject of this column, is the surprising and pleasing fact that when a monochomatic Xray diff racts off a crystal it performs part of a mathematical operation: the Fourier transform (developed in the 19th century in completely diff erent contexts); when the incidence angle is varied,  the complete transform is produced. The aw in this lovely picture is that we cannot measure all the details of the diff racted wave;  otherwise the entire molecular structure could  be calculated  by inverting  the Fourier transform.  There are many online resources devoted to Xray crystallography; I have especially proted from Randy Readʹs Protein Crystallography Course and from Kevin Cowtanʹs Interactive Structure Factor Tutorial . Thanks also to my Stony Brook colleagues Peter  Stephens and Miguel GarciaDiaz for helpful correspondence and remarks. Fourier  series:  temperature  distribution in a wire Fourier series and the Fourier transform were invented as a method of data analysis. For example, let us follow  JeanBaptiste  Joseph Fourier (17681830) in studying the time evolution of the temperature distribution in a circular loop of circumference  , given an initial distribution of temperature ; (we require ). We  start  by calculating what are now known as the Fourier coe  fficients of : It can  be proved, if is suciently well behaved, that the linear combination (the Fourier series of ; when these formulas simplify pleasantly) converges everywhere to . Feature Column from the AMS http://www.ams.org/samplings/feature-column/fc-2011-10 1 of 7 8/23/2013 10:44 PM

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When a monochomatic X‐ray di ff racts o ff a crystal it  performs  part of  a mathematical  operation: the Fourier transform...

Tony PhillipsStony Brook University

Email Tony Phillips

Introduction

X‐ray crystallography has  been essential, since the  beginning of the 20th century, to our understanding of mater; recently, asknowledge of the chemical composition of proteins has progressed, the determination of their 3‐dimensional structure has  becomeindispensable for the correct interpretation of their functions. Our main access to this information is X‐ray crystallography. (X‐rays areused  because their wavelengths are on the order of inter‐atomic distances in molecules, in the range 1‐100 Å ; one Å is  m).Mathematics enters into the process at two stages. The study of space  groups tells what periodic configurations are possible in three‐space; in fact these are often called ʺcrystallographic groupsʺ by mathematicians. The other connection, the subject of this column, is thesurprising and pleasing fact that when a monochomatic X‐ray diff racts off a crystal it performs part of a mathematical operation: theFourier transform (developed in the 19th century in completely diff erent contexts); when the incidence angle is varied, the completetransform is produced. The flaw in this lovely picture is that we cannot measure all the details of the diff racted wave; otherwise theentire molecular structure could  be calculated  by inverting the Fourier transform.  There are many online resources devoted to X‐ray crystallography; I have especially profited from Randy Readʹs Protein

Crystallography Course and from Kevin Cowtanʹs Interactive Structure Factor Tutorial. Thanks also to my Stony Brook colleaguesPeter Stephens and Miguel Garcia‐Diaz for helpful correspondence and remarks.

Fourier series: temperature distribution in a wire

Fourier series and the Fourier transform were invented as a method of data analysis. For example, let us follow  Jean‐Baptiste  JosephFourier (1768‐1830) in studying the time evolution of the temperature distribution in a circular loop of circumference   , given an initialdistribution of temperature  ; (we require  ). We start  by calculating what are now known as the Fouriercoe fficients of  :

It can  be proved, if  is sufficiently well‐ behaved, that the linear combination

(the Fourier series of  ; when  these formulas simplify pleasantly) converges everywhere to  .

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(Taken as an initial distribution separately, each of the  and  functions determines a simple solution, as does aconstant function; the linearity of the heat equation allows these separate solutions to  be combined, with coefficients  and   , to givethe complete solution to the problem.)

It is useful to simplify the formulas  by using Eulerʹs identities   ,  and grouping terms

to yield

and

in general, the  are complex numbers.

Electron density distribution in a crystal

  The dual operations of integration:  and summation:  can  be realized in other contexts. In this columnwe will consider the function  that gives the electron density distribution in the crystalline state of some compound. Suppose,for simplicity, that the unit  building  block, corresponding to a molecule of the compound, is a rectangular solid; say with edge‐lengths

 and  ; these   by   by  solids are stacked in three‐space so as to give a structure repeating every  units in the ‐direction, every units in the  and every  units in the  . Then the function  will  be triply periodic, with periods  and   , and consequentlycan  be represented as a triple Fourier series

where

directly generalizing our formulas for the circle. If the coefficients  are known, the electron density distribution can  be calculated,and then the structure of the molecule can  be determined. It is therefore remarkable that the diff raction paterns formed when the

crystal is  bombarded with X‐rays contain precious information about the  . Roughly speaking, we can imagine the complexnumbers  placed at the vertices  of a 3‐dimensional latice; each X‐ray diff raction patern projects this latice onto the planeof the image plate. If we label  by  the projection produced  by a  beam meeting the crystal at a generalized angle   , a vertex which is good position with respect to  (this condition also depends on the wavelength  of the radiation) will appear on the plate asa spot at location  and of intensity proportional to the square of the absolute value  . Varying  will  bring a new set ofvertices into good position; eventually the latice can  be reconstructed, along with the absolute value of the coefficients at the vertices.

The  phase  problem. The absolute values  alone, although they contain a great deal of information about the molecule inquestion, do not allow  to  be completely reconstructed. A simple example comes from temperature distributions likethose studied  by Fourier. Consider (with circumference  ) the temperature distributions

 and

. So the coefficents for  are all   , while those for  are

. The absolute values are the same,  but the distributions are diff erent, as shown  below. X‐ray

crystallographers have devised many ways to get around this limitation, called ʺthe phase problem;ʺ they are  beyond the scope ofthis column.

 

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The temperature distributions  (red) and  (blue), on a circular loop ofcircumference  (ploted radially) are quite diff erent  but have Fourier coefficients with the same absolute values.

The reciprocal latice

X‐rays interact with a crystal through interaction with parallel families of planes. Suppose as  before that the unit cell in the crystal is an rectangular parallelipiped (when  and  are all diff erent, this structure is called orthorhombic). Every triple  of

integers defines a family of planes through the crystal, defined  by the equation

Let us change coordinates to   ,   ,  . (We are now in the reciprocal latice; for a non‐rectangular crystal the change of

coordinates is only slightly more complicated). Then the equation defining the planes  becomes

for  an integer. For each  this family of parallel planes fills up the crystal, in the sense that each unit cell vertex lies in (exactly)one of them, as is easy to check. We call these the latice  planes. Graphically, it is easier to represent the analogous concept in two

dimensions, so we suppress  and  for the moment. Our crystal is then an array of  rectangles; in the  coordinates thesemeasure  . The pair  gives the lines   , for  an integer. These lines are parallel to the ‐axis, and slice through the base of each unit cell. On the other hand,  gives the lines   , or   ,  gives   , and

 gives  . (See image).

Latice lines: the lines corresponding to  are shown in  blue, those for  in orange, and those for  in purple. Not alllines are shown.

X‐ray diffraction: how a monochromatic plane wave performs Fourier analysis on the electron density

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distribution.

This diagram labels the vectors involved in the calculation of diff raction. An incoming plane wave  diff racts off an electron at  as awave  with the opposite incidence angle   , and also off another electron at relative position  . The wave vectors  and  have thesame magnitude, which we set for convenience to  be   , the reciprocal of the wavelength. The diff racted rays travel diff erent lengths:

the path through  is longer  by  than the path through   , as shown.  is the projection of  along  and has length.  is minus the projection of  along   , and so has length  . This gives, for the diff erence in path

lengths,  or  . Since  is the wavelength, the ray traveling through  will have its phase retarded  by  ;corresponding to a factor  .  The length of the vector  is  ; so   , which is equal to the component of  in the direction of  times thelength of   , is equal to  ; constructive interference, which corresponds to   , an integer, thus also corresponds to

This 

is 

Braggʹs law; 

its 

discovery 

in 

1912 

started 

the fi

eld 

of 

X‐

ray 

crystallography. 

The 

diff 

raction 

corresponding 

to 

adiff raction vector  and a single electron at position  multiplies the amplitude of the scatered wave  by a phase factor  . If is the electron density function in the crystal, the eff ect on  will sum to

So the structure  factor  appears as the Fourier transform of the electron density function  . (Straightforward diff ractionexperiments only measure the (square of) the absolute value of   , which shows up as the intensity of the spot corresponding to  .If the phases were also known, the Fourier transform could  be inverted to give an exact picture of the electron density  ).  It is possible to rewrite this integral in terms of the  vectors in reciprocal space. For each such vector  we write, using thereciprocal coordinates 

In this case the inverse Fourier transform

where  is volume in reciprocal space, can  be approximated  by a Fourier series

which can  be compared with the Fourier series for  given at the start of this column. 

Here 

is 

nice 

example, 

from 

Kevin 

Cowtanʹ

Interactive 

Structure 

Factor 

Tutorial. 

The 

example 

is 

2‐

dimensional, 

and 

shows 

howrapidly the structure factors, with their  phases , converge to the target structure. The target electron density function looks like this:

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Cowtanʹs simulation leads to the approximate Fourier synthesis of the target from  just the seven largest structure factors: thosecorresponding to  . Here is how the synthesis proceeds, step  by step,each time adding in the next structure factor. These images are from his tutorial , and are used with permission. The unit cell (notorthorhombic!) is outlined in dots.

 

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Comments (2)

Dear Tony:

Thank you for a nice article. I have meant to sit down

and understand the relationship between wavefronts

and Fourier transforms. It is important in radar, thefield I work in, and in particular, in antenna theory.

All the best. -- Greg Coxson

#1 - Greg Coxson - 10/10/2011 - 13:17

Response to Greg

Dear Greg, Thanks for the kind words. It's great to

hear from a reader. Best wishes, Tony

#2 - Tony Phillips - 10/18/2011 - 15:58

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