¡Descarga Aplicaciones de la Difracción de rayos X y más Apuntes en PDF de Radiología solo en Docsity!
Aplicaciones de la Difracción de rayos X. Apuntes y ejercicios
- FUNDAMENTOS
1.1 Espectro electromagnético y Rayos X. 1.2 Estado cristalino. 1.3 Interacción de los R-X con la materia. Difracción. 1.4 Métodos experimentales de difracción.
- EL DIFRACTÓMETRO CONVENCIONAL
2.1 Tubo de Rayos X. 2.2 Detectores. 2.3 Muestra y portamuestras. 2.4 Ventanas y monocromadores. 2.5 Cámaras de T y P variable.
- PATRÓN DE DIFRACCIÓN DE MUESTRAS POLICRISTALINAS
3.1 Diagrama de difracción de R-X. 3.2 Posición de los picos de difracción. 3.3 Intensidad de los picos de difracción. 3.4 Perfil de los picos de difracción. 3.5 Difracción y sustancias amorfas. 3.6 Obtención de datos:variables.
- APLICACIONES DE LA DIFRACCIÓN DE RAYOS X. I
4.1 Identificación de fases. 4.2 Pureza de muestras. 4.3 Medida de tensiones. 4.4 Análisis cuantitativo. 4.5 Determinación de diagramas de fase. 4.6 Determinación de estructuras cristalinas.
- APLICACIONES DE LA DIFRACCIÓN DE RAYOS X. II
5.1 Estudio de texturas. 5.2 Difracción de R-X a Temperatura variable. 5.3 Dispersión de rayos X a bajo ángulo.
1. FUNDAMENTOS
1.1 Espectro electromagnético y Rayos X
Los Rayos X se descubrieron en 1895 por el físico alemán Röntgen y recibieron ese nombre porque se desconocía su naturaleza en ese momento. A diferencia de la luz ordinaria, esa radiación era invisible pero viajaba en linea recta y ennegrecía las películas fotográficas de manera similar a como lo hacía la luz. Sin embargo, esa radiación era mucho más penetrante que la luz y podía atravesar el cuerpo humano, la madera, piezas delgadas de metal, etc. Esta propiedad encontró inmediatamente aplicación en la obtención de radiografías : las porciones menos densas de un material dejan pasar la radiación X en mayor proporción que las más densas: de esta forma es posible localizar la posición de una fractura en un hueso o una grieta en una pieza metálica. En 1912 se estableció de manera precisa la naturaleza de los rayos X. En ese año se descubrió la difracción de rayos x en cristales y este descubrimiento probó la naturaleza de los rayos X y proporcionó un nuevo método para investigar la estructura de la materia de manera simultánea. Los R-X son radiación electromagnética de la misma naturaleza que la luz pero de longitud de onda mucho más corta. La unidad de medida en la región de los r-x es el angstrom (Å), igual a 10 -10^ m y los rayos x usados en difracción tienen longitudes de onda en el rango 0.5-2.5 Å mientras que la longitud de onda de la luz visible está en el orden de 6000 Å. De acuerdo con la teoría cuántica, la radiación electromagnética puede considerarse tanto un movimiento ondulatorio como un haz de partículas llamadas fotones. Cada fotón lleva asociada una energía h, donde h es la cte de Planck (6.63x10-34^ J·s); se establece así un vínculo entre las dos teoría ya que la frecuencia del movimiento ondulatorio puede calcularse a partir de la energía del fotón y viceversa. El espectro contínuo. Los rayos X se producen cuando una partícula cargada electrícamente con suficiente energía cinética es frenada rápidamente. Los electrones son las partículas utilizadas habitualmente y la radiación se obtiene en un dispositivo conocido como tubo de rayos x que contiene una fuente de electrones y dos electrodos metálicos. El alto voltaje entre los electrodos dirige los electrones hacia el ánodo, o blanco, y al golpear sobre él con una elevada velocidad producen r-x en el punto de impacto que se irradian en todas direcciones. La mayor parte de la Ec de los electrones que golpean el blanco se convierte en calor y únicamente menos de un 1% se transforma en r-x. Los rayos x emitidos consisten en una mezcla de diferentes longitudes de onda y la variación de intensidad con depende del voltaje del tubo. La figura muestra el tipo de curvas obtenidas. La intensidad es cero hasta cierta longitud de onda, llamada lim, aumenta rápidamente hasta un máximo y entonces decrece sin un límite abrupto en la parte de larga longitud de onda. Cuando se sube el voltaje del tubo, la intensidad de todas las longitudes de onda aumenta y la posición de la min y del máximo se desplazan a longitudes de onda más cortas. Esta radiación se denomina radiación continua o blanca , pues está formada igual que ocurre con la luz blanca por muchas longitudes de onda. El espectro continuo resulta de la deceleración de los electrones que golpean el blanco, sin embargo no todos los electrones se frenan de la misma forma: algunos se paran con un solo impacto y pierden toda su energía de una vez; otros experimentan sucesivos impactos, perdiendo fracciones de su Ec de forma sucesiva hasta perderla toda. Los electrones que son detenidos en un solo impacto son los que producen fotones de máxima
aumento del voltaje por encima del voltaje crítico incrementa las intensidades de las líneas características respecto al continuo pero no cambia sus longitudes de onda. La figura muestra el espectro de Mo a 35 kV, el aumento de voltaje ha desplazado el espectro continuo a más cortas y ha aumentado la intensidad de las líneas K pero no su longitud de onda. La intensidad de cualquier línea característica depende de la intensidad de corriente en el tubo y de la cantidad en la que el voltaje aplicado excede el voltaje crítico para esa línea; en una línea K la intensidad viene dada aproximadamente por: I (^) Kline = Bi(V-VK) n donde B es una cte de proporcionalidad, VK es el voltaje crítico K y n una cte con un valor próximo a 1.5. Además de ser muy intensas, las líneas características son también muy estrechas, la mayoría menos de 0.001 Å de anchura medida a mitad de altura como se aprecia en la figura. La existencia de esta línea K intensa y estrecha es la permite los estudios mediante difracción de r-x ya que la mayoría de los experimentos de difracción requieren el uso de radiación monocromática o aprox. monocromática. Las líneas de r-x características fueron sistematizadas por Moseley, éste encontró que la longitud de onda de una línea particular descendía conforme el nº atómico del emisor aumentaba. En concreto, encontró una relación lineal entre la raiz cuadrada de la frecuencia y el nº atómico Z: = C(Z - ) donde C y son ctes. Mientras que el espectro continuo tiene su origen en la deceleración de los electrones que inciden sobre el blanco de un tubo de r-x, el origen del espectro característico está en los átomos mismos del blanco. Para comprender este fenómeno es suficiente considerar un átomo como un núcleo central rodeado por electrones formando capas donde los términos K,L,M... corresponden al nº cuántico principal n=1,2,3.... Si uno de los electrones que bombardean el blanco posee suficiente energía cinética puede arrancar un electrón de la capa K dejando el átomo en un estado excitado de alta energía. Uno de los electrones en niveles superiores cae inmediatamente en la vacante generada emitiendo energía en el proceso; la energía emitida tiene una definida, es de hecho radiación K. La vacante en la capa K puede ocuparse por un electrón de cualquiera de las capas externas dando así lugar a las líneas de la serie K; por ejemplo las líneas K y K surgen cuando la vacante en la capa K se llena con electrones de las capas L o M respectivamente. Sin embargo, es más probable que una vacante en la capa K se llene con un electrón procedente de la capa L que de la M y de ahí que la línea K sea más intensa que la K. Las líneas de la serie L se originan de una forma similar. La existencia de un voltaje de excitación crítico está relacionada con las capas de energía definida en los átomos del blanco. La radiación K, por ejemplo, no se produce si el voltaje del tubo no proporciona a los electrones bombardeantes suficiente energía para arrancar un electrón de la capa K del átomo del blanco.
1.2 Estado cristalino Todos los materiales cristalinos adoptan una distribución regular de átomos o iones en el espacio. La porción más simple de la estructura que al repetirse mediante traslación reproduce todo el cristal se define como celda unidad.
Estos paralelepípedos deben poder apilarse juntos para formar la estructura y llenar completamente el espacio, es decir la traslación paralela a cualquiera de los lados la longitud de ese lado genera una nueva posición para la celda unidad y las celdas unidad generadas de esta forma ajustan perfectamente entre sí de manera que ninguna parte del espacio queda excluida, esto se ve en la figura para 2 tipos de paralelepípedos, en el segundo caso los tres lados de la celda son mutuamente perpendiculares. Hemos visto que un sólido cristalino se repite de manera periódica en 3 dimensiones. Se define una red como un ordenamiento de puntos equivalentes en 3 dimensiones. La red muestra la simetría traslacional del sólido localizando posiciones equivalentes. Todos los puntos de red son idénticos: el entorno de todos los puntos es el mismo, la distribución espacial de puntos alrededor es idéntica. La celda unidad mostrada en la figura no tiene simetría ya que las longitudes de los lados y ángulos pueden tomar cualquier valor. Un nivel creciente de simetría origina relaciones entre los diferentes parámetros de celda y da lugar a los 7 sistemas cristalinos. En el sistema triclínico no hay ninguna restricción para los parámetros de celda. En el sistema monoclínico no hay condiciones respecto a las longitudes de los lados pero dos de los ángulos son de 90º. Por convenio el ángulo distinto de 90º es el formado por los lados a y c. En el sistema ortorrómbico los lados de celda son perpendiculares entre sí y por tanto el número de parámetros independientes es de 3. En el sistema tetragonal, además de ángulos de 90º se cumple que dos de los lados son iguales. En el sistema trigonal todos los lados son iguales y todos los ángulos son iguales entre sí pero distintos de 90º. En el sistema hexagonal a=bc, 2 angulos de 90º y uno de 120º, dos parámetros independientes por tanto. Por último, el sistema de mayor simetría, con un sólo parámetro independiente(el valor de la arista) es el sistema cúbico. La posición de un átomo dentro de la celda unidad se describe normalmente usando coordenadas fraccionarias. Respecto del origen un átomo dentro de la celda desplazado en x·a paralelo al lado a, y·b paralelo a b y z·c paralelo a c se representa mediante las coordenadas fraccionarias (x,y,z). Este método para describir la posición de los átomos dentro de la celda unidad es igualmente aplicable a todos los sistemas cristalinos y tamaños de celda. En el caso de esta estructura bidimensional para la celda unidad elegida las coordenadas atómicas son 0,0 y 2/3, 1/3. Si se elige esta otra celda unidad las coordenadas atómicas son 2/3,1/3 y 1/3,2/3 tal como se muestra en el esquema. En el caso de esta otra estructura tridimensional los átomos se encuentran situados en las posiciones 0,0,0 (el resto de posiciones equivalentes a esta se obtiene por simetría); 0,0,1/ ; 2/3,1/3,0 y por último 1/3,2/3,1/2; estas posiciones pueden representarse en proyección sobre el plano ab indicando la coordenada en la dirección c. En 3D sólo son posibles 14 redes diferentes conocidas como redes de Bravais. En la figura se representan la celda unidad de las 14 redes de Bravais. Es el patrón de red el que distingue el tipo de red, la elección de celda es arbitraria aunque se elige de forma conveniente para que muestren la simetría de la red. Estas redes pueden ser:
En el caso de un plano de deslizamiento como el representado en la figura la reflexión seguida por una traslación de 1/2 de la arista de celda genera una posición equivalente, repitiendo el proceso se obtiene una posición equivalente a la inicial. Las direcciones de traslación pueden ser también las diagonales de las caras. En la siguiente tabla se resumen los elementos de simetría traslacional que pueden existir en estructuras cristalinas. Cuando se combinan los 32 grupos puntuales de simetría con los elementos de simetría traslacional y las 14 redes de Bravais se obtienen los 230 grupos espaciales de simetría posibles. Estos grupos determinan los tipos y posiciones de los elementos de simetría que son posibles para una estructura cristalina y se describen de manera sistemática en las Tablas Internacionales de Cristalografía. Cada grupo espacial tiene un símbolo, habitualmente se usa la notación de Hermann- Mauguin abreviada. Este símbolo comienza con una letra que representa el tipo de red de Bravais (P, I, etc) seguido de los símbolos de los elementos de simetría esenciales presentes en esa estructura. Así por ejemplo el símbolo P2 1 /c representa un grupo espacial que tiene una red de Bravais primitiva y cuyo grupo puntual es el 2/m (que vimos anteriormente). Este es uno de los grupos puntuales del sistema monoclínico y el tipo de red es monoclínico P.Paralelo al eje b existe un eje helicoidal 2 1 y perpendicular a éste un plano de deslizamiento c, estos generan otros elementos de simetría, entre ellos un centro de simetría: esta es una estructura centrosimétrica. Los puntos de red que muestran la simetría traslacional de una estructura pueden ser conectados mediante los planos de red. Cada plano pertenece a un conjunto de planos equiespaciados que contienen todos los puntos de red. Estos planos se nombran usando los índices de Miller. Estos índices se designan convencionalmente h, k, y l se escriben entre paréntesis (h,k,l) y son enteros: positivos, negativos o cero. En el caso de una estructura tridimensional la obtención de los índices de Miller puede realizarse considerando los dos planos de red contiguos del mismo conjunto que cortan a los ejes en el origen y a la mínima distancia a lo largo de cada dirección de ejes respectivamente. Por ejemplo, en la figura los cortes con los ejes se producen en 1/2·a, 1·b y 1/3·c. Los recíprocos de esos valores son los índices de Miller de ese plano: (2,1,3). El corte con la dirección a de la celda permite obtener h, con b se obtiene k y a lo largo de c se obtiene l. Para planos que son paralelos a una de las direcciones de la celda el corte se produce en el infinito y por tanto el índice de Miller para este eje es 1/ = 0. La figura muestra un ejemplo de un plano (0,0,1) para una celda triclínica. La separación de los planos se conoce con el término de espaciado dhkl , de la figura se desprende que este parámetro también representa la distancia desde el origen al plano más próximo; este parámetro es de gran importancia en la interpretación de los diagramas de difracción de r-x como veremos más adelante. La relación entre el espaciado d y los parámetros de red puede determinarse geométricamente y depende del sistema cristalino, las expresiones son las que se presentan en la tabla, como se observa, tienen una complejidad creciente al disminuir la simetría del sistema cristalino.
1.3 Interacción de los R-X con la materia. Difracción. La interacción de los r-X con la materia esencialmente ocurre mediante dos procesos:
a) Algunos fotones del haz incidente son desviados sin pérdida de energía, constituyen la radiación dispersada exactamente con la misma que la radiación incidente(es la que origina el fenómeno de la difracción). Otros fotones son dispersados con una pequeña pérdida de energía: constituyen la radiación Compton con ligeramente mayor que la radiación incidente. b) Los fotones pueden sufrir una serie de choques inelásticos al incidir sobre un blanco y su energía incrementa la T de la muestra. Además la energía de un fotón de r-x puede arrancar un electrón de las capas internas de un átomo en la muestra. Este átomo puede volver a su estado de mínima energía emitiendo un fotón de r-X con una característica de ese elemento: fluorescencia. La figura muestra una sección en un cristal con sus átomos dispuestos en un conjunto de planos paralelos A,B,C,D... perpendicular al plano del dibujo y separados por una distancia d’. Asumimos que un haz de r-x perfectamente monocromáticos y paralelos de longitud de onda inciden sobre el cristal a un ángulo , llamado ángulo de Bragg, donde se mide entre el haz incidente y los planos del cristal considerados. ¿Bajo qué condiciones el haz de r-x será difractado? Un rayo difractado puede definirse como un rayo compuesto de un gran número de rayos dispersados que se refuerzan mutuamente. La difracción es, por tanto, esencialmente un fenómeno de dispersión. Los átomos dispersan la radiación incidente en todas direcciones, y en algunas direcciones los rayos dispersados estarán completamente en fase y por tanto se refuerzan mutuamente para formar rayos difractados. En el caso de la figura el único haz difractado es el que se representa: aquél que forma un ángulo de salida con los planos de difracción. Consideremos primero el caso de átomos situados en un plano: los rayos 1 y 1ª en el haz incidente inciden en los átomos K y P y son dispersados en todas direcciones. Sin embargo, sólo en las direcciones 1’ y 1a' están en fase y se refuerzan, ésto ocurre porque la diferencia en la longitud de camino entre los frentes de onda es: QK –PR = PKcos - PKcos = 0 Esto ocurre para todos los átomos en el primer plano. Además se puede extender a otros planos (considerar, por ejemplo, los rayos 2 y 2a) Por lo que se refiere a planos diferentes los rayos 1 y 2 por ejemplo son dispersados por los átomos K y L y la diferencia de camino para los rayos 1K1’ y 2L2’ es: ML + LN = d’sin + d’sin Los rayos dispersados 1’ y 2’ estarán completamente en fase si esa diferencia de fase es igual a un número n de longitudes de onda: n = 2d’sin Esta relación se conoce como Ley de Bragg y establece la condición esencial que debe cumplirse para que ocurra la difracción. n se denomina orden de difracción y debe ser un nº entero consistente con sin menor o igual que 1. Aunque físicamente no es un proceso de reflexión los términos planos de reflexión y rayo reflejado se usan con frecuencia para referirse a los planos de difracción o rayos difractados respectivamente. En resumen, la difracción es esencialmente un fenómeno de dispersión en el que cooperan un gran nº de átomos. Puesto que los átomos están dispuestos periódicamente en una red los rayos dispersados por ellos tienen unas relaciones de fase definidas entre ellos; estas relaciones de fase son tales que en la mayoría de las direcciones se produce una
syncrotrón ya que proporciona un método extraordinariamente rápido y eficaz para registrar los datos. En un monocristal todas las celdas unidad son idénticas y se alinean en la misma orientación (en realidad no exactamente, hasta la décima de grado, hay cierto carácter de mosaico) de manera que dispersan la radiación de forma cooperativa originando un patrón de difracción definido que consiste en haces difractados en unas direcciones definidas. En el método de oscilación el cristal se orienta a lo largo de un eje principal y oscila sobre ese eje aprox. 10º. Conforme el cristal oscila lentamente, los ángulos entre el haz de r-x incidente y los planos hkl varían y cuando se satisface la Ley de Bragg se obtiene un haz difractado que se registra sobre una película cilíndrica que rodea de forma coaxial al cristal. Cuando el ángulo de oscilación aumenta el número de reflexiones registradas aumenta y en el caso extremo tenemos el método de rotación en el que el cristal gira 360º (o oscila 180º), en la figura se observa una fotografía de rotación del topacio, ortorrómbico; en la película que aparece desenrrollada se aprecia el agujero de entrada y salida del haz de r-x. Es destacable el gran número de reflexiones en cada línea que hace difícil su estudio: para evitar ésto se usa el método de Weissemberg en el que se combina el movimiento del cristal con el de la película fotográfica. En el método de precesión el movimiento al que se somete el cristal es más complejo y consiste básicamente en una inclinación seguida de un movimiento de precesión mientras la película realiza el mismo movimiento de precesión que el cristal, éste método permite obtener de manera bastante inmediata los parámetros de celda así como el indexado de las reflexiones (asignación de índices hkl). Por lo que se refiere al método difractométrico, un difractómetro convencional de 4 círculos mide las intensidades de cada reflexión de forma secuencial. Para cada reflexión el cristal y el detector se colocan en la posición apropiada para satisfacer la Ley de Bragg de manera que el haz difractado esté en el plano horizontal. La intensidad integrada se mide mientras el cristal se rota un pequeño ángulo de un lado de la posición de Bragg a la otra ya que el pico difracción tiene una anchura de unas décimas de grado debido al carácter de mosaico del cristal. Con un difractómetro con detector de área es posible medir varias reflexiones de manera simultánea lo que reduce el tiempo de la toma de datos de forma drástica. La preparación de monocristales presenta a menudo una gran dificultad experimental; en muchas ocasiones no es posible ni deseable como en ciencia de materiales. Una muestra policristalina contiene una gran cantidad de pequeños cristales (de tamaño entre 10 -7^ y 10 -4^ m) que adoptan aleatoriamente todas las orientaciones posibles. Algunos planos hkl en algunos de los cristales estarán orientados, por casualidad, al ángulo de Bragg para la reflexión. Todos los planos de un espaciado dhkl dado difractan al mismo ángulo 2 respecto al haz incidente de manera que todos los rayos difractados se sitúan en un cono de semiángulo 2 respecto al haz incidente. Para cada conjunto de planos se producirá la difracción a un ángulo de Bragg diferente dando lugar a una serie de conos de difracción. Para obtener los datos de difracción de r-x en forma útil para su análisis es necesario determinar las posiciones de los diferentes conos de difracción. Esto puedes hacerse bien usando películas fotográficas o un detector de radiación, en ambos casos el objetivo es determinar el ángulo de difracción, 2 de varios conos de difracción.
La cámara de Debye-Scherrer es la técnica más sencilla para la obtención de datos de difracción de polvo. Se coloca una tira de película fotográfica en el interior de una cámara cilíndrica con la muestra en el centro. El haz de r-x entra en la cámara por un lateral y la muestra se coloca llenando un capilar de vidrio. Los conos de difracción cortan la película a diferentes ángulos 2, cuando se saca la película presenta un aspecto como el de la figura. Cada línea en la película representa un espaciado de la estructura, a bajos ángulos las líneas tienen una curvatura apreciable ya que el ángulo de difracción del cono es pequeño y gran parte del cono es intersectado por la película, a ángulos cerca de 90º sólo una pequeña sección del cono corta la película: la curvatura de la línea es menos marcada. Mediante el radio de la cámara y la distancia en la película respecto al camino seguido por el haz no difractado se pueden determinar los valores de 2 para cada línea. El difractómetro de polvo usa un detector de r-x, típicamente un contador Geiger o un detector de centelleo. En la geometría Bragg-Brentano la fuente de r-x y el detector se colocan a igual distancia y ángulo de la superficie de la muestra. El ángulo 2 se varía de forma continua. En la figura se observa un difractograma típico. Las intensidades se toman como alturas de los picos o para trabajos de más precisión las áreas. Al pico más intenso se le asigna un valor de 100 y el resto se reescala respecto a éste. La muestra normalmente es pulverizada y presionada sobre un porta de vidrio. El objetivo siempre es obtener una muestra con cristales orientados en todas las direcciones de forma aleatoria. Si la orientación no es aleatoria se produce el fenómeno conocido como orientación preferida : este fenómeno altera considerablemente las intensidades medidas y consiste en adoptar una orientación preferentemente. La geometría Bragg-Brentano es la geometría empleada con mayor frecuencia. En este sistema si el tubo está fijo la geometría se denomina -2. Si el tubo se mueve y la muestra está fija la configuración se denomina -. En ambos casos las distancias fuente- muestra y muestra-detector son fijas e iguales entre sí.
2. EL DIFRACTÓMETRO CONVENCIONAL 2.1 Tubo de rayos X Los r-x se generan en un dispositivo conocido como tubo de r-x cuyo esquema se representa en la figura. Un generador convencional consiste de un cátodo con un filamento de W que emite e -^ que son acelerados bajo vacío por un alto voltaje aplicado a lo largo del tubo(del orden de 30kV). El haz de electrones incide sobre un blanco metálico, ánodo o anticátodo (habitualmente Cu o Mo y menos frecuentemente Cr, Fe o Ag) y se emite el espectro de r-x descrito anteriormente. El alto vacío es necesario para evitar la oxidación del filamento de W y porque la presencia de gas en el tubo disminuye la eficacia en el proceso de obtención de r-x por choques del haz electrónico con esas moléculas en el tubo. El área sobre la que incide el haz de r-x es un rectángulo de 1x10 mm en los tubos de foco normal y de 0.4x8 mm o 0.4x12 mm en los tubos de foco fino. La radiación se emite por el foco en todas direcciones pero la que se aprovecha es la que sale del tubo por una de las 4 ventanas de Be que posee. En la foto se puede ver un tubo de r-x. Las ventanas son de Be ya que la la absorción de r-x depende del nº atómico, Be con Z= es un material adecuado por la misma razón que Pb es un buen material de protección frente a los r-x.
detección Edet es simplemente (1 – fperd ), donde fperd representa las pérdidas de contaje descritas anteriormente. Por tanto, la eficiencia global es:
E = Eabs Edet = [(1 – fabs,w )(fabs,d )][1-fperd ]
Edet es normalmente del 100 % para la mayoría de los detectores, por tanto E está determinada por E (^) abs que puede calcularse a partir de las dimensiones y coeficientes de absorción de ventana y detector. La figura muestra los resultados; merece la pena destacar la dependencia de Eabs con la longitud de onda: la eficiencia de cualquier detector es baja para de onda muy cortas porque estos r-x duros son capaces de atravesar ventana y detector sin ser absorbidos; a largas Eabs disminuye por el aumento de la absorción de los r-x blandos en la ventana. Contadores proporcionales: Están basados en un dispositivo como el de la figura, consta de un cilindro metálico (cátodo) de unos 10 cm de longitud y 2 cm de diámetro lleno con un gas que contiene un fino alambre metálico (ánodo) a lo largo de su eje. Supongamos una diferencia de potencial constante de unos 200 V entre ánodo y cátodo. El cilindro dispone de una ventana con una elevada transparencia a los r-x. La mayor parte de los r-x que entra en el cilindro es absorbida por el gas y esta absorción va acompañada por la ionización del gas produciéndose electrones que se mueven por la acción del campo eléctrico hacia el ánodo mientras que los iones positivos se mueven hacia el cátodo obteniéndose una pequeña corriente eléctrica: este dispositivo se conoce como cámara de ionización. El mismo dispositivo actúa como contador proporcional si el voltaje aplicado es del orden de 1000 V, entonces ocurre el fenómeno conocido como ionización múltiple o “amplificación del gas”. El campo eléctrico es tan intenso que los electrones acelerados hacia el ánodo son capaces de ionizar otros átomos y así sucesivamente de manera que se genera una avalancha de electrones y por tanto un pulso fácilmente detectable (del orden de unos pocos milivoltios). Además el pulso es proporcional a la energía de los r-x lo que permite distinguir la longitud de onda de éstos. Este detector es muy rápido y tiene una curva de contaje lineal hasta las 10000 cps. El gas empleado es normalmente xenon, argon o kripton a presion un poco menor de la atmosférica. Detectores de centelleo: En este tipo de detector la radiación x se hace incidir sobre un material fluorescente (generalmente NaI activado con una pequeña cantidad de Tl) que emite luz. El flash de luz producida pasa a un fotomultiplicador donde arranca un número de electrones del fotocátodo (material fotosensible hecho generalmente de Cs-Sb). Los electrones emitidos son conducidos a través de una serie de dinodos cada uno 100 V más positivo que el anterior obteniéndose al final un pulso del orden de voltios. Además el proceso global requiere menos de 1 s de manera que este detector puede utilizarse con señales de 10 5 cps sin pérdidas. Detectores semiconductores: Se han utilizado tanto Si como Ge. El Si puro es un semiconductor intrínseco con una elevada resistividad eléctrica especialmente a bajas T debido a que muy pocos electrones son excitados a la banda de conducción. Sin embargo, los r-x pueden causar esa excitación originando electrones libres en la banda de conducción y huecos en la banda de valencia, manteniendo un elevado voltaje entre las caras opuestas del cristal se crea un pequeño pulso en el circuito externo que es amplificado hasta el orden de milivoltios. El dispositivo electrónico de este tipo de detector es más sofisticado que en
los anteriores, de hecho las pérdidas de contaje ocurren en el sistema electrónico antes que en el detector; en cualquier caso se mantiene la linealidad hasta unas 10000 cps. Detector PSD: Este tipo de detector permite determinar la intensidad de varias líneas de difracción de manera simultánea. Es especialmente útil en medidas a T variable en las que es necesario obtener el difractograma en el menor tiempo posible. Existen detectores uni- y bi-dimensionales. Por ejemplo en el caso de los unidimensionales el alambre que actúa como ánodo de un contador proporcional es curvado y coincide con un segmento del círculo del difractómetro y está conectado a un detector multicanal. Cuando la radiación monocromática incide sobre la muestra se generan rayos difractados a determinados ángulos 2. Esos rayos atraviesan la ventana del detector por posiciones determinadas originando la formación de pulsos en esos puntos. También existen detectores bidimensionales también denominados detectores de área.
2.3 Muestra y portamuestras. En un difractómetro convencional la muestra se mantiene en posición horizontal y se rota para minimizar los efectos de orientación preferente y favorecer la orientación de los cristales al azar. El portamuestras convencional tiene una profundidad de 1 mm y es adecuado para muestras del orden de gramos. El porta de bajo fondo es un cristal de Si con una cavidad de 50 micras para pequeñas cantidades de muestra. El porta de retrocarga permite minimizar los efectos de orientación preferente. También es posible el uso de capilares que permiten trabajar en transmisión. El desplazamiento de la muestra respecto al eje del difractómetro es habitualmente la principal fuente de error en la posición de los picos de difracción. El efecto habitual es el que se observa en la figura que da lugar a un desplazamiento de los picos a menor ángulo para valores de 2 bajos:
d/d = - (Dcos^2 )/Rsen
donde D es el desplazamiento de la muestra según la normal del plano de difracción y R es el radio del difractómetro. El efecto de la muestra depende de la penetración de los rayos-X en dicha muestra. La fracción de intensidad difractada por una muestra de profundidad x viene dada por la expresión:
(x) = 1 – exp{ -x((1/sen) + 1/sen(2 - ))}
donde es el ángulo de incidencia de los r-x y es el coeficiente de absorción lineal de la fase estudiada que depende de la densidad y de la composición química de la fase. En general el coeficiente de absorción lineal será mayor cuanto mayor sea la densidad y cuanto mayor sea el número atómico de los elementos componentes de la fase. Como se deduce de la expresión anterior cuanto mayor sea menor será la penetración de los r-x y menor la influencia en el desplazamiento de los picos.
2.4 Ventanas y monocromadores La obtención de medidas precisas para los débiles haces difractados se basan en lo siguiente. Todos los ángulos inscritos en un círculo y basados en el mismo arco SF son
1200ºC y es posible controlar la atmósfera (vacío, gases inertes). La segunda permite el calentamiento directo de la muestra hasta 2300ºC. La tercera permite trabajar entre –190 y 450ºC tambien controlando la atmósfera. La siguiente está diseñada para el estudio de reacciones en estado sólido hasta 900ºC con presiones hasta 10 bares. La última imagen corresponde a una cámara de alta T en un difractómetro Bruker. Entre las aplicaciones de este tipo de equipos se encuentran el estudio de reacciones químicas, transiciones de fase, estudio de disoluciones sólidas, expansión térmica, crecimiento de grano entre otras. En el ejemplo se presenta la descomposición de la dolomita en atmósfera de CO 2. Se calentó la muestra con una velocidad de 3º/min y se recogió el patrón de difracción para valores de 2 entre 25 y 45º con una velocidad de barrido de 40º/min. Tal como se observa en la gráfica los picos correspondientes al carbonato doble disminuyen en intensidad conforme avanza la reacción mientras que los correspondientes a carbonato de calcio y MgO aumentan su intensidad.
3. PATRÓN DE DIFRACCIÓN DE MUESTRAS POLICRISTALINAS 3.1 Diagrama de difracción de rayos X. Un difractograma de r-x recoge los datos de intensidad en función del ángulo de difracción (2) obteniéndose una serie de picos tal como se muestra en el ejemplo. Los datos más importantes obtenidos a partir de un difractograma son los siguientes:
- posición de los picos expresada en valores de , 2, d ó q = 1/d 2.
- intensidad de pico. Las intensidades se pueden tomar como alturas de los picos o para trabajos de más precisión las áreas. Al pico más intenso se le asigna un valor de 100 y el resto se reescala respecto a éste.
- perfil de pico. Aunque se utiliza menos que los anteriores la forma de los picos también proporciona información útil sobre la muestra analizada. El espaciado se puede medir de manera más precisa y es reproducible en diferentes muestras salvo que contengan impurezas que formen disoluciones sólidas. Las intensidades son más difícil de medir cuantitativamente y a menudo varían de muestra a muestra especialmente si se produce el fenómeno de orientación preferente. En conjunto los valores d-I de una fase cristalina constituyen una huella dactilar de esa fase y hacen esta técnica especialmente útil en la identificación de fases cristalinas. 3.2 Posición de los picos de difracción. ¿Qué determina las posibles direcciones, es decir los posibles ángulos 2, en los que un cristal produce un haz de r-x difractado? Tal como se ha descrito anteriormente se obtendrá un haz difractado para el conjunto de planos (100) por ejemplo cuando el haz incidente sobre él satisfaga la Ley de Bragg. Pero la difracción puede producirse también en los planos (110), (111), etc. Es necesaria una relación general que prediga el ángulo de difracción para cualquier conjunto de planos; esta relación se obtiene combinando la Ley de Bragg y la ecuación para el espaciado aplicable al cristal particular de que se trate. Por ejemplo para el sistema cúbico: 1/^2 = (h 2 + k 2 + l 2 )/a^2 = 2dsen sen = /2d
sen^2 = (^2 /4a 2 ) (h^2 + k 2 + l 2 )
Esta ecuación predice para una longitud de onda particular y un cristal cúbico particular con arista de celda unidad a los ángulos a los que puede producirse la difracción. Si el cristal es tetragonal, con ejes a y c, entonces la ecuación general correspondiente es: sen^2 = (^2 /4) ((h^2 + k 2 )/a 2 + l^2 /c^2 ) y ecuaciones similares pueden obtenerse rápidamente para otros sistemas cristalinos. Estos ejemplos muestran que las direcciones a las que un haz de dada es difractado depende del sistema cristalino al que pertenece el cristal y de sus parámetros de red. Es decir, las direcciones de difracción están determinadas unicamente por la forma y tamaño de la celda unidad. Esta es una propiedad importante al igual que lo es su inverso: todo lo que se puede determinar de un cristal desconocido midiendo las direcciones de los rayos difractados es la forma y tamaño de su celda unidad.
3.3. Intensidad de los picos de difracción. La intensidad de los picos de difracción es la segunda característica fundamental de un diagrama de difracción.Se puede trabajar con alturas o con intensidades integradas y a menudo se reescala asignando al pico más intenso un valor de 100. Hay seis factores que influyen en la intensidad relativa de las líneas de difracción: factor de polarización factor de estructura factor de multiplicidad factor de Lorentz factor de absorción factor de Temperatura Factor de polarización: La difracción consiste esencialmente en un fenómeno de dispersión reforzada. Aunque los electrones dispersan los r-x en todas direcciones la intensidad del haz dispersado depende del ángulo de dispersión, la intensidad es máxima en la dirección del haz incidente y mínima en la dirección perpendicular a la incidente: I ½ (1 + cos^2 2 ) Este es el llamado factor de polarización. Factor de estructura: Tal como se ha comentado anteriormente la dispersión de r-x por un átomo es la resultante de la dispersión por cada electrón. El factor de dispersión atómico, f , de un átomo es por tanto proporcional al nº de e-^ que posee ese átomo. Además, la amplitud dispersada por una celda unidad se obtiene sumando la amplitud dispersada por todos los átomos en la celda unidad, de nuevo la suma debe tener en cuenta la diferencia de fase entre todas las ondas dispersadas. La intensidad del haz difractado en la dirección que predice la Ley de Bragg es proporcional al cuadrado del modulo del factor de estructura. En principio, cada conjunto de planos de red puede dar lugar a un rayo difractado. En la práctica, la intensidad difractada por ciertos conjuntos de planos es cero: es lo que se conoce como ausencias sistemáticas. Estas aparecen si la red no es primitiva o si existen elementos de simetría traslacionales (ejes helicoidales y planos de deslizamiento). Como ejemplo en la figura aparece la estructura del -Fe, cúbica centrada en el cuerpo. La reflexión de los planos 100 tiene intensidad cero y está sistemáticamente ausente. Esto se debe a que al ángulo de Bragg para estos planos los átomos del centro de la celda están situados a mitad de camino entre 2 planos 100 adyacentes y por tanto difractan con una diferencia de fase de 180º con esos planos; dado que hay igual nº de átomos en los vértices de la celda que en el centro la cancelación es completa y la intensidad cero. En cambio, se
El tercer y último factor geométrico tiene en cuenta el hecho de que para ángulos bajos o próximos a 180º se recoge una fracción de cono mucho mayor que alrededor de 2 = 90º afectando por tanto a la intensidad de la reflexión con un factor de 1/sen 2B. Los tres factores anteriores se combinan para dar el llamado factor de Lorentz:
Factor de Lorentz = (1/sen 2)(cos )(1/sen 2) = cos /sen^2 2 = 1/4sen 2 cos
Éste a su vez se combina con el factor de polarización para dar el factor de polarización- Lorentz:
Factor de polarización-Lorentz = (1 + cos 2 2 )/(sen 2 cos )
El efecto global de estos factores geométricos es disminuir la intensidad de las reflexiones a ángulos medios respecto a las de ángulos próximos a 0º ó 180º.
Factor de absorción: Tiene en cuenta el efecto de la atenuación de la intensidad conforme la radiación atraviesa la muestra. Su valor depende de la geometría del método de difracción empleado. En el caso de un difractómetro midiendo en reflexión su valor es 1/2 y es independiente de . Factor de Temperatura: Los átomos no ocupan posiciones fijas en la red sino que están sometidos a una vibración térmica alrededor de sus posiciones de equilibrio. La agitación térmica disminuye la intensidad de un haz difractado ya que degrada la periodicidad de la red en la que se basa la Ley de Bragg.. Este descenso en la intensidad es mayor a ángulos altos que a bajos y se incluye en el cálculo de intensidades mediante el factor de temperatura , e -2M. Cualitativamente, e-2M^ disminuye al aumentar 2. M = B(sen /) 2 Todos los factores anteriores dan lugar a la siguiente ecuación para las intensidades relativas de las líneas de un patrón de difracción:
I = |F| 2 p{(1 + cos 2 2 )/( sen 2 cos )}e -2M
3.4. Perfil de los picos de difracción. La anchura y la forma de los picos de los picos de un difractograma son el resultado de la combinación de factores instrumentales y de factores basados en la microestructura de la muestra. El perfil de línea instrumental se origina en el carácter no estrictamente monocromático, la divergencia del haz, la anchura de las ventanas, etc. Un parámetro muy utilizado para caracterizar la forma de los picos es la anchura de pico a mitad de altura que permite establecer la función de resolución instrumental, habitualmete se modeliza utilizando una función cuadrática en tan :
FWHM 2 = Utan^2 + Vtan + W Otros aspectos más sutiles del perfil instrumental sólo pueden obtenerse mediante las funciones analíticas usadas para modelizar los perfiles de pico, habitualmente a bajos ángulos el perfil dominate es el gausiano mientras que a ángulos elevados predomina la contribución lorentziana debido a la distribución de longitudes de onda.
La contribución de la muestra al ensanchamiento de los picos se debe fundamentalmente a dos factores: tamaño de cristal y strain. Tamaño de cristal: Si la diferencia de camino entre los fotones de r-x dispersados por los dos primeros átomos difieren sólo ligeramente de un número entero de entonces el plano que dispersa la radiación con fase exactamente opuesta al primero estará en el interior del cristal. Si el cristal es tan pequeño que este plano no existe no se produce la cancelación y esto ensancha el pico; en general a menor tamaño de cristal picos de difracción más anchos. Strain: El efecto de una deformación uniforme que aumente el espaciado entre planos de acuerdo con la Ley de Bragg es un desplazamiento del pico a ángulos menores, por el contrario una disminución en el espaciado produce un desplazamiento a ángulos mayores. Cuando existe una deformación no uniforme en la que coexisten los dos fenómenos anteriores se obtendrían finas líneas de difracción ligeramente desplazadas correspondientes a los diferentes espaciados, la suma de éstas el resultado que se observa experimentalmente dando lugar a una línea de difracción ensanchada.
3.5. Difracción y sustancias amorfas. Un solo átomo dispersa un haz incidente de r-x en todas las direcciones del espacio pero un gran número de átomos ordenados de manera periódica en tres dimensiones formando un cristal dispersan (difractan) los r-x únicamente en unas pocas direcciones. Lo hacen así debido a que la ordenación periódica de los átomos origina una interferencia destructiva de los rayos dispersados en todas direcciones excepto en aquellas que predice la Ley de Bragg. No es de extrañar, por tanto, que se produzca una intensidad de difracción (dispersión) apreciable a ángulos diferentes de los de Bragg como consecuencia de imperfecciones en el cristal. Estas imperfecciones son en general minoritarias comparada con la regularidad del conjunto de manera que se obtienen unos picos relativamente estrechos alrededor de los ángulos de Bragg. Los sólidos amorfos tienen estructuras caracterizadas por una ausencia de periodicidad y sólo se mantiene el orden de corto alcance. El resultado es una curva de dispersión de r-x mostrando uno o dos máximos con una anchura que puede llegar a los 10º. En un gas monoatómico en el que no hay periodicidad alguna no aparece ningún máximo en la curva, únicamente una disminución regular de la intensidad al aumentar el ángulo de dispersión.
3.6 Obtención de datos:variables. En un experimento ordinario de difracción es necesario controlar o establecer los valores de los siguientes parámetros: La potencia del tubo (que a su vez influirá en la intensidad de difracción) se determina mediante la corriente de tubo, es decir el flujo de electrones del filamento al blanco, que suele tener un valor entre 10 y 25 mA y mediante el voltaje de tubo , es decir el voltaje aplicado a los electrones que golpean el ánodo. También es necesario seleccionar la apertura de las ventanas de divergencia, dispersión y del detector. Estas ventanas influyen en la intensidad, la resolución y el background del difractograma. Una configuración típica para obtener una elevada resolución es x, y, z para las ventanas de divergencia, dispersión y detector respectivamente mientras que una configuración adecuada para obtener una elevada intensidad sería x,y,z. Además de lo anterior es necesario establecer los parámetros de medida. El intervalo de barrido se determina mediante los ángulos inicial y final, el tamaño de paso afecta
