ALUMNA: GONZALES ROMERO CAROLAI

SECCION: 7

SABADOS: 6:30 PM-9:50 PM

I. INTRODUCCIÓN

Como es bien conocido, los rayos X son un tipo de radiación electromagnética

descubierta por Röntgen en 1895. Puede describirse en forma de ondas “o” en

forma de partículas de energía. En su imagen corpuscular, los rayos X se

transmiten mediante cuantos de energía denominados fotones. Un fotón es una

partícula que transporta una unidad elemental de energía (E) pero no tiene masa.

En el vacío, todos los fotones viajan a la velocidad de la luz (c) en línea recta y

constituyen el haz de rayos X. En su imagen ondulatoria, los rayos X se propagan

en forma de ondas con máximos y mínimos en su distribución de campo

electromagnético siempre perpendiculares a la dirección de propagación. Estas

ondas se caracterizan por una frecuencia de oscilación “n” y una longitud de

onda “l” características.

En el caso de la aplicación espectrométrica de los rayos X, la excitación de una

muestra se produce mediante el haz primario emergente de la fuente de rayos X.

Esta radiación primaria produce la excitación de los átomos presentes en la

muestra, los que, tras su recombinación electrónica, reemiten radiación X

característica denominada secundaria. Es a este fenómeno a lo que se denomina

fluorescencia de rayos X. La radiación secundaria, emitida por los átomos

presentes en la muestra, es registrada usualmente en forma de histograma,

donde se representa el número de fotones emitidos por intervalo de energía

(fluorescencia por dispersión de energía, EDXRF). Otra forma alternativa del

espectro de la radiación secundaria es utilizando los principios de la difracción y

obteniendo un espectro de intensidad respecto a la longitud de onda de los

fotones re-emitidos (fluorescencia por dispersión de longitud de onda, WDXRF).

II. ESPECTROSCOPIA DE RAYOS X

La espectroscopia de rayos X se basa en la medida de la emisión, absorción,

dispersión, fluorescencia y difracción de la radiación electromagnética. Estas

medidas dan información muy útil sobre la composición y la estructura de la

materia.

A. ANTECEDENTES DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X

Los rayos X fueron descubiertos accidentalmente por Wilhelm Conrad Rongten

(1845-1923) en 1895 cuando experimentaba con la producción de rayos

catódicos en tubos de descarga cubiertos con papel negro. Descubrió que el haz

de electrones producido en el cátodo incidía en el vidrio y producía una radiación

X de pequeña intensidad. Rongten no llegó a determinar la longitud de onda de

ese nuevo tipo de radiación electromagnética.

W. Rongten demostró que los nuevos rayos se propagaban en línea recta con

una velocidad análoga a las de la luz capaz de atravesar materiales opacos a la

luz. A principios de 1912, Laue se dio cuenta que los rayos X tenían longitud de

onda adecuada para ser difractados por los átomos que componen los cristales.

En 1912, el físico alemán Max Von Laue (1879-1960) y su equipo sugirieron que

los átomos de un cristal están espaciados a una distancia tan pequeña que les

permite servir como electos de una rejilla de difracción tridimensional para los

rayos X. Se llevaron a cabo ensayos con un cristal de sulfato de cobre, al que se

le sometió a la acción de los rayos X, haciendo que el haz incidiera en una placa

fotográfica. El resultado fue la impresión de la placa por una serie de manchas

distribuidas geométricamente alrededor de una mancha central producida por el

haz directo de rayos X, demostrándose así que se producía difracción. Este era el

comienzo de la cristalografía de rayos X. La disposición de los puntos resultantes

del modelo de Laue depende de las disposiciones relativas de los átomos de

cristal. Los rayos X son la radiación electromagnética cuya longitud de onda varía

de 0.1 a 100 A.

B. DEFINICIÓN DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X

Es uno de los fenómenos físicos que se producen al interaccionar un haz de

rayos X de una determinada longitud de onda, con una sustancia cristalina. La

difracción de rayos X se basa en la dispersión coherente del haz de rayos X por

parte de la materia y en la interferencia constructiva de las ondas que están en

fase y que se dispersan en determinadas direcciones del espacio.

Se dice que cuando la

radiación

electromagnética incide sobre un átomo los electrones oscilan con la misma

frecuencia que el campo. Como los rayos X son una onda electromagnética que

viaja en el espacio es de suponerse que gran parte de los electrones que se

encuentren en su trayectoria oscilan con la misma frecuencia.

Cada uno de estos electrones puede considerarse como un oscilador separador,

que emite una radiación electromagnética cuya amplitud es muy débil, si la

comparamos con la onda incidente, para dar una onda resultante correspondiente

al átomo.

INTERACCIÓN DEL HAZ ELECTRONICO CON LA MATERIA

El fenómeno de difracción

puede describirse con la Ley de Bragg que predice la dirección en la que se da

interferencia constructiva entre haces de rayos X dispersados coherentemente

por un cristal.

LEY DE BRAGG

La intensidad del haz difractado depende de:

a) La intensidad y la longitud del haz incidente

b) La estructura del cristal, es decir, del arreglo de los átomos en la celda

unitaria, arreglo caracterizado que se conoce como “factor de estructura”.

c) El volumen de los cristales que se difractan

d) El ángulo de difracción

e) La absorción de rayos X por el cristal

f) El arreglo experimental utilizado

La difracción de rayos X es una técnica muy versátil para el análisis cualitativo y

cuantitativo de compuestos cristalinos. La información obtenida incluye tipos de

fases cristalinas, estructuras de las mismas, grado de cristalinidad, cantidad de

contenido amorfo, tamaño y orientación de cristales, etc.

III. TÉCNICAS Y APLICACIONES

A. APLICACIONES DE LA DIFRACCIÓN DE RAYOS X

1. Identificación de fases:

Una fase cristalina dada siempre produce un patrón de difracción

característico, bien esté en estado puro o como constituyente de una

mezcla. Este hecho es la base para el uso de la difracción como método

de análisis químico. El análisis cualitativo se realiza mediante la

identificación del patrón de esa fase. Para la identificación cualitativa se

usa la Powder Diffraction File.

2. Pureza de muestras:

En una mezcla de compuestos cada fase cristalina presente va a

contribuir al patrón de difracción de R-X global. En química preparativa de

materiales esto puede utilizarse para identificar el grado de avance de una

reacción y la pureza del producto. Por ejemplo, la reacción entre dos

sólidos Al2O3 y MgO para formar MgAl2O4 puede seguirse por difracción de

R-X. La difracción de R-X también puede utilizarse para identificar

impurezas, bien sean reactivos que no han reaccionado completamente o

subproductos de reacción. Sin embargo esto tiene una limitación: la

impureza debe ser cristalina.

3. Análisis cuantitativo.

Los métodos de análisis cuantitativo basado en la difracción de R-X

pueden clasificarse en dos grandes grupos: métodos que emplean picos

seleccionados y métodos que utilizan todo el difractograma.

Dentro de los métodos basados en picos seleccionados se encuentran:

- Método de difracción-absorción: Se basa en la relación de

intensidades de un pico en la fase pura y en la mezcla. Requiere el

conocimiento de los coeficientes de absorción de la fase pura y de la

mezcla.

-Método de la adición stándard: En la mezcla debe existir una fase de

referencia con un pico no solapado con ningún pico de la fase a analizar.

- Método del standard interno: En este método la intensidad integrada

de un pico de la fase analizada se compara con la intensidad de un pico

de una fase añadida en proporciones conocidas.

El material usado como standard debe cumplir una serie de requisitos:

químicamente estable, sin picos solapados con la fase analizada, sin orientación

preferente, etc.

Dentro de los métodos que utilizan todo el difractograma se encuentran:

- Método de descomposición del difractograma: Se basa en la

separación del difractograma en los difractogramas individuales de cada

componente de la mezcla, una vez separados se asignan las áreas

integradas a cada componente y se aplican las metodologías anteriores.

- Método de Rietveld: En este caso se considera el difractograma total

como la suma de los patrones individuales de cada fase y se extrae la

información sin separar en componentes.

4. Determinación de diagramas de fase:

La difracción de R-X junto con el análisis térmico y la microscopía son las

técnicas más utilizadas para establecer los diagramas de fase.

La determinación del diagrama de fases mediante rayos-x normalmente

comienza con la determinación de los equilibrios a T° ambiente.

Asimismo se aplica en:

Determinación mineralógica y cristalográfica de cualquier tipo de material

de tipo cristalina.

Estudios de transformación de fases en función de la temperatura desde

24 °C hasta 160 °C.

Análisis cuantitativo de fases.

Determinación del tamaño del cristal

Determinación cuantitativa de amorfos en polímeros mediante cristalinos.

Determinación cuantitativa de elementos en aceros al carbón e

inoxidables.

IV. TÉCNICAS DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X

A. Método de Polvos: Es el más utilizado en el estudio de materiales

cristalinos, Dicho método consiste en hacer pasar un haz de rayos X a una

muestra previamente depositada en un portaobjetos con un espesor

homogéneo.

B. Capas orientadas Consiste en dispersar la muestra en un solvente (AGUA

O ACETONA) y esparcirlo en un portaobjetos el cual produce una capa

delgada al evaporarse el solvente, esta técnica permita acentuar ciertas

familias de planos cristalinos, ya que los cristalitos se acomodan en

orientaciones preferenciales a medida que se evapora el solvente.

V. EQUIPO DE DIFRACCIÓN DE RAYOS X:

El equipo de rayos X consta de las siguientes

partes:

• Fuentes de rayos X

• Goniómetro de dos círculos (θ y 2θ)

• Porta muestras

• Detector

• Computadora para control de instrumentos y análisis de datos

PREPARACIÓN DE LA MUESTRA

1° Molienda

2° Tamizado

3° Montaje de la porta muestras

METODOLOGÍA

En esta técnica se usan muestras sólidas y tamizadas a tamaño menor a 53 μm.

Las muestras pulverizadas se depositan sobre un porta muestras, evitando en lo

posible la orientación preferente de los cristales.

Sobre la muestra se hace incidir un haz de rayos X (lo más cercano a lo

monocromático). Los rayos difractados (diferentes para cada cristal), son

registrados y traducidos en un difractograma en un ordenador.

CONCLUSIONES

• La difracción de rayos X proporciona información detallada de la estructura

tridimensional en estado sólido de las muestras cristalinas de compuestos

orgánicos, inorgánicos y organometálicos, consistiendo en la descripción

geométrica en términos de distancia y ángulos, ángulos de torsión, etc.

• Permite obtener información sobre empaquetamientos, interacciones

intermoleculares, etc.

BIBLIOGRAFÍA

http://www.uam.es/personal_pas/txrf/TXRF2.html