UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFacultad de IngenieraEscuela
Acadmico Profesional de Ingeniera de Materiales
DIFRACCION DE ELECTRONES Y NEUTRONES.Curso: CARACTERIZACION DE
MATERIALESIntegrantes: 1. Aranda Alayo, Mellyni.1. Esparza Vargas,
Jos.1. Glvez Castillo, Franchesco.1. Huaccha Holgun, Abigail.1.
Lujn Rodrguez, Dening.1. Vsquez Arribasplata, Felipe
Docente: Ing.Dionicio Otiniano Mendez .
TRUJILLO PER2014
DIFRACCION DE ELECTRONES Y NEUTRONESI. DIFRACCION DE
ELECTRONESLaDifraccin de electroneses una tcnica utilizada para
estudiar la materia haciendo que un haz deelectronesincida sobre
una muestra y observando el patrn de interferencia resultante. Este
fenmeno ocurre gracias a ladualidad onda-partcula, que establece
que una partcula de materia (en este caso el electrn que incide)
puede ser descrita como una onda. Fig 1: esquema de una difraccin
de electronesEn 1924 De Broglie planteo la posibilidad de que los
electrones pudieran tener un comportamiento ondulatorio. Propuso
que, como en el caso de la luz, existe una relacin entre el momento
de un electrn y su longitud de onda asociada, de esta forma se busc
una maneras de observar estas propiedades de dualidad que esperaban
de acuerdo a esta teora.Donde h es la constante de Planck. De un
modo anlogo a lo que sucede con los fotones, debemos esperar ver
fenmenos de difraccin tambin con electrones, especialmente cuando
estos son lentos (y por tanto su longitud de onda es grande). Los
electrones, en su dualidad corpuscular-onda, anloga a la de los
fotones, pueden considerarse como ondas y por consiguiente,
experimentar fenmenos de difraccin. Su longitud de onda valdr.= =
(1)donde m es su masa y v su velocidad. Normalmente, los
electrones, antes de incidir en la muestra, son acelerado por un
campo elctrico, de voltaje V. la energa potencial de un electrn
vale eV, y al transformarse en cinticam=eV .(2)Sustituyendo el
valor de v de la ecuacin (2) en la ecuacin (1), tenemos:= A
.(3)
Diferencias ms importantes, con respecto a la difraccin de rayos
X, son consecuencia de las propiedades del electrn:a) Su longitud d
onda es mucho menorPor ello, el orden de la magnitud de las
distancias d capaces de producir difraccin es tambin menor. Ya no
es posible considerar los atomos como puntuales o casi puntuales,
como se haca en rayos X, puesto que el dimetro atomico es mayor que
la longitud de inda de los electrones: as pues, hay una contribucin
atmica a la difraccin debido a los elementos constituyentes del
mismo, puesto que las distancias entre los electrones atmicos y el
ncleo son del orden de la magnitud adecuado para cumplir las
condiciones de difraccinb) La energa de haz de electrones es mayor
que la de los rayos XPor ello, es suficiente para excitar los tomos
a niveles energticos superiores, perdiendo los electrones del haz
la correspondiente energa. Los diferentes electrones del haz
excitan distintos tomos a diversos niveles, con lo cual el conjunto
de electrones que sufren este efecto salen con un espectro continuo
de longitudes de ondac) El mecanismo de difusin es diferente al de
los rayos XNo obstante, los resultados son anlogos formalmente. En
efecto, los rayos X producen la polarizacin por desplazamiento de
los electronesde la muestra, creando unos dipolos que reemiten la
radiacin. En el caso de los electrones, estos poseen carga elctrica
que desempea un papel primordial.d) Los electrones poseen un poder
de penetracin muy pequeoYa que son fuertemente difundidos por la
materia. Por ello, solo es posible estudiar por este mtodo
sustancias gaseosas a presiones muy bajas (densidad muy pequeas) o
capas superficiales de capas condesadas.e) Obtencin de
electrones.
Mediante un tubo de rayos catdicos, se trata de un tubo de
vidrio en el interior del cual se produce y se acelera un haz de
electrones.
El mecanismo consiste en calentar un filamento para que emita
electrones. Un electrodo metlico cilndrico extrae y acelera los
electrones del ctodo. El haz se colima a travs de un orificio
circular.
Despus del nodo se encuentra una rejilla de control para colimar
el haz de electrones y el electrodo donde est el blanco. El extremo
del tubo opuesto al filamento est recubierto por una pantalla
uorescente que emite luz al incidir los electrones sobre ella.
Fig.2 Diagrama del tubo de difraccin de electrones
Fig.3. Formacin de los anillos de difraccin.
Fig. 4 Representacin esquemtica de la condicin de Bragg.
Fig.5 Distancias reticulares interplanares en el grafito
Fuente de alimentacin de alta tensin.
Disponemos de una fuente de alimentacin de alta tensin que
podemos variar. Jams debe suministrarse al nodo una tensin superior
a 5 kV. En todo caso, el tiempo que se use el tubo a tensiones
altas (mayores de 4 kV) debe ser muy reducido por el riesgo de daar
el blanco.
Fuente de alimentacin de baja tensin.
Fuente que suministra una tensin contina de unos 6 V para
calentar el lamento del tubo de rayos catdicos.MtodoConsiderando
que el ngulo de difraccin es pequeo, la condicin del primer mximo
de difraccin se puede escribir como = d. Si D es el dimetro lineal
de un anillo de difraccin en la pantalla, entonces = (D/2)/L,
siendo L la distancia entre el blanco y la pantalla luminiscente.La
longitud de esta distancia a lo largo del eje de simetra del tubo
es 1302 mm. Por tanto, si d es la separacin de los tomos de la red,
la condicin de difraccin se puede escribir como funcin del voltaje
de aceleracin:
4
Si consideramos la estructura hexagonal del grato tendremos dos
periodicidades en la red, tal como se ve en las guras 4 y 5. La
fuente de baja tensin ha de estar conectada al lamento y la de alta
tensin al nodo. No se debe encender ninguna fuente hasta que el
circuito haya sido revisado.Una vez encendida la fuente de baja
tensin ha de esperarse un rato a que se caliente elctodo (al menos
un minuto).
Seguidamente se enciende la fuente de alta tensin, poniendo
antes a cero el potencimetro que regula la tensin de salida.
Aumenta la tensin hasta que se vean sobre la pantalla del tubo los
anillos de difraccin (que son algo difusos). Hay un imn con forma
de luna que se puede colocar cerca del nodo, girndolo hasta obtener
una imagen ms ntida. Para cada valor de la tensin de aceleracin,
mide el dimetro de los dos anillos considerando la circunferencia
que pasa por la zona ms luminosa de estos. Para ello se puede usar
un Calibre o papel milimetrado vegetal jado sobre el bulbo del
tubo. En este ltimo caso ha de Tenerse en cuenta que el radio de
curvatura del bulbo es 65,0 mm. Representa grcamente la relacin
entre el dimetro de los dos anillos, D, y la tensin de aceleracin,
VA. Para obtener una relacin lineal representa D frente a 1/VA.
Considerando conocida la constante de Planck, la carga del electrn
y su masa, usa la pendiente de estas rectas para estimar el
espaciado de los tomos en la lmina de grato.
f) Interaccin de los electrones con la materia
Los electrones son partculas que poseen carga e interactan con
la materia a travs de lafuerza elctrica. Esto significa que los
electrones que inciden son influenciados tanto por la carga
positiva del ncleo atmico como por los electrones que rodean el
ncleo.
Fig. 6. Interaccin de los electrones con la materia
SEM: Microscopia electrnica de barrido.
Es aquel que utiliza un haz de electronesen lugar de un haz
deluzpara formar una imagen. Tiene una gran profundidad de campo,
la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la
muestra. Tambin produce imgenes dealta resolucin, de forma que las
caractersticas ms nfimas de la muestra pueden ser examinadas con
gran amplificacin. La preparacin de las muestras es relativamente
fcil ya que la mayora de los SEM slo requieren que estas
seanconductoras. De esta forma, la muestra generalmente es
recubierta con una capa de carbono o una capa delgada de
unmetalcomo eloropara conferirle carcter conductor. Posteriormente,
se barre la superficie con electrones acelerados que viajan a travs
del can. Un detector formado por lentes basadas enelectroimanes,
mide la cantidad e intensidad de electrones que devuelve la
muestra, siendo capaz de mostrar figuras en tres dimensiones
medianteimagen digital. Su resolucin est entre 4 y 20nm,
dependiendo del microscopio.
Electrones secundarios.
Son electrones de baja energa (decenas de eV) que resultan de la
emisin por parte de los tomos constituyentes de la muestra (los ms
cercanos a la superficie) debido a la colisin con el haz incidente,
se obtiene una imagen de apariencia tridimensional de la
muestra
Los electrones retrodispersados.
Son electrones del haz incidente que han interaccionado
(colisionado) con los tomos de la muestra y han sido reflejados, La
intensidad de emisin de los electrones retrodispersados depende del
nmero atmico medio de los tomos de la muestra, as los tomos ms
pesados producen mayor cantidad de electrones retrodispersados. Una
imagen originada por loselectrones retrodispersadosrevela
diferencias en la composicin qumica por diferencias de
contraste.
TEM: Microscopia electrnica de transmisin
Es el que utiliza un haz deelectronespara visualizar un objeto,
debido a que la potencia amplificadora de un microscopio ptico est
limitada por lalongitud de ondade laluzvisible. Lo caracterstico de
estemicroscopioes el uso de una muestra ultrafina y que la imagen
se obtenga de los electrones que atraviesan la muestra.
Los microscopios electrnicos de transmisin pueden aumentar un
objeto hasta unmillnde veces.
Electrones transmitidos o no dispersados.
Son los que atraviesan la muestra limpiamente sin interactuar
con ella. Son inversamente proporcionales al grosor de la muestra y
producen las zonas ms claras o brillantes de la imagen de
transmisin.
II. DIFRACCION DE NEUTRONES 2.1. Concepto.-La difraccin ocurre
en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie
de un fluido y ondas electromagnticas como la luz y las ondas de
radio. Debido a la dualidad onda-corpsculo caracterstica de la
mecnica cuntica es posible observar la difraccin de partculas como
neutrones o electrones.La difraccin de neutrones es una tcnica
cara. En el orden de que para conseguir una fuente de neutrones, un
reactor nuclear es necesario.
Difraccin de neutrones o dispersin de neutrones elstica es la
aplicacin de la dispersin de neutrones a la determinacin de la
estructura atmica y/o magntica de un material.
Una muestra a examinar se coloca en un haz de neutrones trmicos
o fro para obtener un patrn de difraccin que proporciona informacin
de la estructura del material. La tcnica es similar a la difraccin
de rayos X, pero debido a sus diferentes propiedades de dispersin,
neutrones y rayos X proporcionan informacin complementaria.
Fig.07. Tcnica de difraccin de neutrones.
2.2.- Neutrn: Partcula que carece de carga y que forma parte del
ncleo atmico de cualquier elemento. Los neutrones, que tienen una
masa similar a los protones, son necesarios para la estabilidad de
los ncleos atmicos (con la excepcin del hidrogeno)Los neutrones
actan en las reacciones nucleares, que se producen cuando un neutrn
impulsa la fisin de un tomo y se genera un mayor nmero de neutrones
que, a su vez, causa nuevas fisiones. De acuerdo a como se produzca
esta reaccin, puede hablarse de reaccin controlada (se utiliza el
moderador de un reactor nuclear para aprovechar la energa nuclear)
o reaccin incontrolada (se produce una masa crtica de combustible
nuclear).FUENTES DE NEUTRONES Reactor Nuclear Reactor nuclear RP 10
Reactor nuclear RP 0Fuentes radiactivas Am-Be Energa promedio: 5.48
Mev Cf-252 Energa promedio: 2.3 Mev.Fig.08 Fisin Nuclear
Fig.09. Espectro de fisin
2.3 Interaccin con la materia
NEUTRONESFOTONES
Ncleo Nube electrnica
Depende de b Depende de Z
Difusin Istropa Difusin anistropa
Mayor penetracin Mayor absorcin
Tabla 01. Comparacin Neutrn Fotn.
2.4. Requerimientos instrumentales y muestra.-
La tcnica requiere una fuente de neutrones. Los neutrones se
producen generalmente en un reactor nuclear o fuente de espalacin.
En un reactor de investigacin, se necesitan otros componentes,
incluyendo un monocromador de cristal, as como filtros para
seleccionar la longitud de onda deseada de neutrones. En una fuente
de espalacin, el tiempo de vuelo de la tcnica se utiliza para
clasificar las energas de los neutrones incidentes, por lo que no
se necesita monocromador, sino ms bien una serie de elementos de
apertura sincronizada para filtrar los pulsos de neutrones con la
longitud de onda deseada.La tcnica se lleva a cabo ms comnmente
como difraccin de polvo, que slo requiere un polvo policristalino.
Para el trabajo de cristal nico, los cristales deben ser mucho
mayores que los utilizados en la cristalografa de rayos X. Es comn
el uso de cristales que son aproximadamente 1 mm3.Resumiendo, la
principal desventaja de difraccin de neutrones es el requisito para
un reactor nuclear. Para el trabajo de un solo cristal, la tcnica
requiere relativamente grandes cristales, que por lo general son
difciles de cultivar. Las principales ventajas de la tcnica son
muchas: sensibilidad a tomos de luz, la capacidad de distinguir los
istopos, ausencia de dao por radiacin.
2.5. Dispersin Nuclear.-
Al igual que todas las partculas cunticas, los neutrones pueden
presentar fenmenos de ondas asociadas tpicamente con la luz o el
sonido. La difraccin es uno de estos fenmenos, sino que se produce
cuando las ondas encuentran obstculos cuyo tamao es comparable con
la longitud de onda.
Si la longitud de onda de una partcula cuntica es lo
suficientemente corto, tomos o sus ncleos pueden servir como
obstculos de difraccin. Cuando un haz de neutrones que emanan de un
reactor se ralentiza y se selecciona adecuadamente por su
velocidad, su longitud de onda se encuentra cerca de un angstrom,
la separacin tpica entre los tomos en un material slido. Tal un haz
a continuacin, se puede utilizar para llevar a cabo un experimento
de difraccin.
Los neutrones y los rayos X interactan con la materia de manera
diferente. Los rayos X interactan principalmente con la nube de
electrones alrededor de cada tomo. La contribucin a la intensidad
de los rayos X difractados por lo tanto, es ms grande para los
tomos con nmero atmico mayor.
Por otra parte, los neutrones interactan directamente con el
ncleo del tomo, y la contribucin a la intensidad difractada depende
cada istopo, por ejemplo, hidrgeno regular y deuterio contribuyen
de forma diferente. Tambin es a menudo el caso de que los tomos
ligeros contribuyen fuertemente a la intensidad difractada incluso
en presencia de grandes tomos de Z.
Esta difraccin muestra picos de difraccin bien definidos fuertes
incluso en ngulos altos, particularmente si el experimento se
realiza a bajas temperaturas. Muchas fuentes de neutrones estn
equipadas con sistemas de refrigeracin de helio lquido que permiten
la recoleccin de datos a temperaturas de hasta 4,2 K. La excelente
informacin de alto ngulo significa que las posiciones atmicas en la
estructura se pueden determinar con alta precisin.
Fig.10. Poder de penetracin del neutrn
2.6. Dispersin Magntica.-
Aunque los neutrones no tienen carga, llevan a dar una vuelta, y
por lo tanto al interactuar con momentos magnticos, incluidos los
derivados de la nube de electrones alrededor de unos tomos, la
difraccin de neutrones, puede revelar la estructura magntica
microscpica de un material.Dispersin magntica requiere un factor de
forma atmica, ya que es causada por la nube de electrones mucho ms
grande alrededor de la pequea ncleo. Por tanto, la intensidad de la
contribucin magntica a los picos de difraccin ser disminuir hacia
los ngulos superiores.
Fig.11 Interaccin dipolar magntica
2.7. Aplicaciones.- Difraccin de neutrones puede ser utilizado
para determinar el factor de estructura esttica de gases, lquidos o
slidos amorfos. La mayora de los experimentos, sin embargo, apuntan
a la estructura de los slidos cristalinos, por lo que la difraccin
de neutrones en una herramienta importante de la cristalografa.
Difraccin de neutrones est estrechamente relacionado a la difraccin
en polvo de rayos X. Una aplicacin prctica de dispersin
elstica/difraccin de neutrones es que la constante de metales y
otros materiales cristalinos celosa se puede medir con mucha
precisin. Junto con un microposicionador alineados con precisin un
mapa de la constante a travs de la rejilla metlica se puede
derivar. Esto se puede convertir fcilmente en el campo de tensin
experimentada por el material. Esto ha sido utilizado para analizar
las tensiones en componentes aeroespaciales y de automocin .
Difraccin de neutrones tambin se puede emplear para dar una idea de
la estructura 3D de cualquier material que difracta.
III. BIBLIOGRAFIA:
Se obtubo concepto de difraccion de electrones:
http://fisicaexpdemostrativos.uniandes.edu.co/PDF/Difraccion%20de%20electrones%20en%20una%20red%20policristalina.pdf
visitado 13/07/2014 Se obtubo concepto de interaccion de los
electrones con la materia:
http://laplace.ucv.cl/Cursos/Fisica_Contemporanea_2/Old/Tubo%20de%20Difraccion.pdf
visitado 13/07/2014. Se obtubo concepto de electrones
retrodispersados, secundarion, trasmitidos:
http://www.uned.es/cristamine/mineral/metodos/sem.htm visitado
13/07/2014. Se obtubo concepto de microscopia SEM y TEM:
http://ssyf.ua.es/es/formacion/documentos/cursos-programados/2012/especifica/tecnicas-instrumentales-en-el-analisis-de-superficie/sem-sesion-12-de-noviembre.pdf
visitado 13/07/2014
http://fmc.unizar.es/people/jcampo/documentos/descargas/Charlas_basicas/Tecnicas_de_haces_de_neutrones_en_magnetismo.pdf.(Revisado
el dia 09-07-2014))
http://books.google.com.pe/books.419&sa=X&ei=e5XCU4L4NdPnsAT69ILQBw&ved=0CDAQ6AEwBA#v=onepage&q=dispersion%20magnetica%20de%20neutrones&f=false
http://centrodeartigos.com/articulos-educativos/article_4387.html
http://crashoil.blogspot.com/2012/05/radiactividad-y-radiacion.html