Seminario Control-rayos X

DIFRACCIÓN DE RAYOS X

DIEGO LARA ALONSO JAIBER JEISSON HOLGUÍN LADINO JEYMEI LORENA RAMÍREZ ÁVILA

CLASIFICACIÓN DE LOS SÓLIDOS Estado de agregación permite hablar de dos características fundamentales: ● El orden ● La periodicidad

Sólidos cristalinos

Sólidos amorfos

ORDEN Largo alcance

Corto alcance

● ● ●

Cerámicas Polímeros Vidrios cerámicos ● ● ● ●

Metales Semiconductores Algunos cerámicos Ciertos polímeros

PERIODICIDAD “Motivo”

que se repite en las tres dimensiones sin perder el orden

SÓLIDOS CRISTALINOS ● ● ●

Presentan orden a corto alcance Presentan orden a largo alcance Presentan periodicidad

CELDA UNITARIA

Mínima expresión de lo que es un cristal, por lo tanto, si se conoce la composición y forma de la celda unitaria, se puede establecer cómo es el cristal. Está nombrada a partir de tres unidades que corresponden a la longitud (a,b,c, además de los ángulos que unen dichas unidades (α, β, γ). Lo cual conlleva a 7 sistemas cristalinos.

Sistemas cristalinos

Sistemas primitivos (sin átomos en su interior)

Auguste Bravais (Annonay, 1811-Versalles, 1863) Físico y mineralogista francés.

●

ANÁLISIS DE LAS ESTRUCTURAS CRISTALINAS 1895

●

Nombrados por lo desconocidos que eran

●

Cirugías exploratorias reducidas

● ●

λ ≈ 0,05 - 0,25 nm Dos tipos: ○

○

●

Duros ■ Estudios de sólidos ■ Estudios de aceleraciones de partículas Blandos

1912

Wilhelm Conrad Röntgen

PRODUCCIÓN DE LOS RAYOS X Se obtienen de 4 maneras distintas: ●

Bombardeo de un blanco metálico con electrones alta energía

●

Utilizando fuente radioactiva de cuyo proceso de desintegración da lugar a emisión de rayos x

●

A partir de una fuente de radiación de sincrotrón

●

Exposición de una sustancia a un haz primario de rayos x con el objetivo de generar un haz secundario de fluorescencia de rayos x

PRODUCCIÓN DE LOS RAYOS X Electrón expulsado lentalizado y con cambio de dirección

Electrón altamente acelerado (aprox. 3 millones de Terahertz) producido por un filamento de Tungsteno

Rayos X

Relación de la intensidad

Kα1 : Kα2 : Kβ = 10 : 5 : 2

Esquema de los niveles de energía de los electrones.

Emisión de un tubo de Mo

Proceso muy ineficiente 2%

DIFRACCIÓN DE RAYOS X DIFRACCIÓN : Modificación del comportamiento de la luz a la interacción de una onda con los planos de la estructura cristalina de un cuerpo opaco.

DIFRACCIÓN DE RAYOS X: Es una técnica de análisis cuali-cuantitativa de sustancias cristalinas que se basan en la interacción fundamental de los rayos x con estas sustancias.

LEY DE BRAGG

William Henri Bragg

William Lawrence Bragg ZnS Estructura cúbica

La Difracción (ley de bragg) Es un efecto acumulativo de la dispersión del rayo que se ocasiona cuando este pasa por los centro regularmente espaciados de un cristal. Requisitos: Espacio igual entre capas de átomos del sólido. Los centro de dispersión están distribuidos de manera uniforme

d = Distancia interplanar n = Orden λ = Longitud de onda del rayo incidente θ = Ángulo de incidencia

En el gas no se tienen placas cristalográficas, por lo cual al pasar los rayos x dará como resultado una línea recta. En el caso de los líquidos, ya existe algo de orden, sin embargo no se observarán resultados con rayos x. En un material amorfo, se observará un ruido o una línea de base más elevada que lo que se tiene en un gas. En los cristales, se tendrá un patrón de difracción, por lo cual, es el único estado en que se puede realizar la evaluación con rayos x

MÉTODOS ESPECIALES DE DIFRACCIÓN

MÉTODO DE LAUE ●

Método de transmisión

Pelicula detras del cristal para detectar los rayos transmitidos por el cristal. ●

Método de reflexión

Radiación policromática

La película es colocada entre el cristal y la fuente de rayos, y se registran los rayos que son difractados en la dirección anterior Aplicación: Determinación de simetría de un cristal.

MÉTODO DE ROTACIÓN O CRISTAL GIRATORIO Realizada en monocristal y se orienta de tal manera que pueda hacerse girar en torno a uno de sus ejes.

Aplicación: Desciframiento de estructuras más complejas, y de densidad electrónica.

MÉTODO DE POLVO

Patrón de difracción obtenido por el método de Laue en transmisión: las reflexiones dispuestas a lo largo de una curva son generadas por una misma longitud de onda.

Patrón de difracción obtenido por rotación de un cristal.

Patrón de difracción de polvo. Debido al uso de múltiples cristales en múltiples orientaciones los puntos de difracción correspondientes a los puntos de la red recíproca a la misma distancia del origen d se unen para formar un anillo.

EQUIPO Difractómetro Determina los ángulos en que ocurre difracción en las muestras pulverizadas

Partes del instrumento Fuente Monocromador Soporte para la muestra Detector de radiación o transductor Procesador de señal Dispositivo de lectura

Funcionamiento: Fuente de rayos X

Detector

Procesador de señal

Venta de Soller

Monocromador secundario

Dispositivo de lectura

Muestra

Ventanas Soller

PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

Muestra cristalina

Reflección de todos los espacios posibles

Moler hasta polvo homogéneo

Muestra en haz dentro de tubo capilar

Cumplimiento Ley de Bragg

Partículas dispuestas de diferentes formas

Portamuestras

INTERPRETACIÓN DE ESPECTROS

¿QUÉ INFORMACIÓN SE OBTIENE? Posición del pico Dimensiones de la celda unitaria Ancho del pico Qué tan cristalino es el sólido Altura del pico Contenido de la celda unitaria

Técnicas Bragg Brentano Haz rasante Cámara de temperatura Ensayo de stress Ensayo de Reflectividad:

INTERPRETACIÓN DE DIAGRAMAS DE DIFRACCIÓN

Diseño Racional de Fármacos Se basa en la estructura tridimensional de la enzima y el ligando, La estructura de la enzima se obtiene por difracción de rayos X,

APLICACIONES ● ●

Elucidación de estructuras de productos naturales ( complejos) Esteroides vitaminas y antibiótico

● ● ●

Pureza de muestras Determinación de diagrama de fase Determinación de estructuras cristalinas

Equipos en la Universidad Nacional de Colombia Fisica Realiza todas las técnicas

Bibliografía 1. 2. 3.

4. 5.

Skoog, Douglas A., Donald M. West, and F. James. Holler. Fundamentals of Analytical Chemistry. Fort Worth: Saunders College Pub., 1996. Pp 291-315 Manual Básico de Operación del equipo de Difracción de Rayos-x Rigaku DMAX 2200 Versión 2006. Centro de Investigación en Energía Universidad Nacional Autónoma de México Jhonny O. Tolosa, César A. Ortiz. CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS DELGADAS MEDIANTE EL DIFRACTOMETRO X’Pert-PRO PANalytical. GSEC (Grupo de Superficies Electroquímica y Corrosión) , Escuela de Física Universidad Pedagógica y tecnológica de Colombia. Revista de Física, No. 48E, Julio 2014. Smith, William F. FUNDAMENTOS DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES. Sexta edición. Mc Graw Hill. Madrid, España. 2006. Difraccion de Rayos X; Universidad Politecnica de Cartagena; España; Disponible en: https://www.upct.es/~minaeees/difraccion_rayosx.pdf