Difracción de rayos x

Difracción de neutrones y rayos-x en Bi2 O3 -WO3

La Difracción de Neutrones y Rayos X
P.Dip
Alumno del Programa de Doctorado en Ciencias de la Ingeniería con mención en Ciencias de los Materiales Escuela de Postgrado Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Universidad de Chile

1.1 Breve Introducción
En el año 1912, a través de unos experimentos realizados por Von Laue y su equipo,demostró que los rayos- x correspondían a radiación electromagnética y que los sólidos poseen estructuras tridimensionales con la peculiaridad de que éstas son periódicas. Al poco pasar el tiempo, la familia Bragg hizo uso de este descubrimiento al desarrollar la técnica de difracción de rayos-x, cómo un método para estudiar en detalle las estructuras de los sólidos a una escala atómica. En el año1927 la difracción de electrones había sido demostrada y una técnica de difracción de electrones análoga a la de los rayos- x fue desarrollada. La gran contribución de esta técnica radica en la capacidad de estudiar las superficies y películas delgadas, lástima que su versatilidad es menor a la difracción de rayos-x. En el año 1932, se descubre la existencia del neutrón y esta condujo a lademostración en el año 1936, de que también puede ser difractado y corroborando en forma muy convincente la dualidad onda-partícula. El problema que se tuvo en aquella época fue las débiles fuentes de neutrones con que se contaba, cosa que cambió en el año 1942 con la aparición del primer reactor nuclear, transformando completamente la intensidad que podía ser alcanzada para haces de neutrones. Desdeentonces estas intensidades han sido incrementadas en un factor mayor que 104 veces lo que ha hecho posible explorar con neutrones la arquitectura atómica de sólidos y líquidos en forma rutinaria. Es importante tener presente, que los neutrones son partículas sin carga, pero con un substancial momento magnético por lo que son una buena sonda para el estudio de materiales magnéticos. Por la extensaliteratura existente tanto teórica como práctica de los rayos-x, aquí nos limitaremos a describ ir brevemente algunas de las características de la técnica de rayosx en polvo, poniendo una mayor dedicación a tópicos relacionados con difracción de neutrones.

1.2 Los reactores nucleares y sus haces de neutrones
La fisión del uranio en el núcleo de un reactor nuclear produce neutrones, que tiene unaenergía media del orden de 2 MeV, que resulta inapropiado para el estudio de la materia condensada por su corta longitud de onda. Esto conlleva, a que el núcleo del reactor sea recubierto con una sustancia llamada moderadora, la que permite de alguna manera frenar mediante colisiones sucesivas con los átomos de la sustancia moderadora. La idea es maximizar el intercambio de momentun y con talmotivo se escogen sustancias livianas (agua, agua pesada, grafito, berilio, etc.). Esto
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permite obtener neutrones con longitudes de onda comparables con las separaciones interatómicas en los sólidos. Los neutrones que alcanzan un equilibrio térmico con el moderador, llamados neutrones térmicos, tiene una distribución maxwelliana de velocidades.La longitud de onda de un neutrón esta relacionada con su energía y velocidad por:

λ=

h h = mv 2mE λT dλe λ5
4  λT 2 − 2  λ     

(1.1)

Para neutrones en equilibrio térmico con un moderador a temperatura T se tienen un flujo con longitudes de onda entre λ y (λ + dλ) dado por:

φ ( λ ) dλ = 2φ0
donde:

(1.2)

 h  λT =   2mK T   b  
Este espectro tiene un máximopara:

(1.3)

λ=

h (5mK bT )1/ 2

(1.4)

La forma de la distribución de longitudes de onda obtenida en la práctica en los haces de neutrones térmicos es ilustrada en la figura 1.1. En los reactores de investigación la temperatura del moderador generalmente está entre 20ºC y 100ºC, que corresponde as las longitudes de onda para neutrones térmicos entre 1,47 Å y 1,27 Å con energías...