Difraccion de Electrones y Neutrones

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

Facultad de Ingeniería

Escuela Académico Profesional de Ingeniería de Materiales

DIFRACCION DE ELECTRONES Y NEUTRONES

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Curso: CARACTERIZACION DE MATERIALES Integrantes:

 Aranda Alayo, Mellyni.

 Esparza Vargas, José.

 Gálvez Castillo, Franchesco.

 Huaccha Holguín, Abigail.

 Luján Rodríguez, Dening.

 Vásquez Arribasplata, Felipe

Docente: Ing.Dionicio Otiniano Mendez .

TRUJILLO – PERÚ 2014

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DIFRACCION DE ELECTRONES Y NEUTRONES

I.

DIFRACCION DE ELECTRONES

La Difracción de electrones es una técnica utilizada para estudiar la materia haciendo que un haz de electrones incida sobre una muestra y observando el patrón de interferencia resultante. Este fenómeno ocurre gracias a la dualidad onda-partícula, que establece que una partícula de materia (en este caso el electrón que incide) puede ser descrita como una onda

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Fig 1: esquema de una difracción de electrones

En 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 relación entre el momento de un electrón y su longitud de onda asociada, de esta forma se buscó una maneras de observar estas propiedades de dualidad que esperaban de acuerdo a esta teoría.Donde h es la constante de Planck. De un modo análogo a lo que sucede con los fotones, debemos esperar ver fenómenos de difracción también con electrones, especialmente cuando estos son lentos (y por tanto su longitud de onda es grande). Los electrones, en su dualidad corpuscular-onda, análoga a la de los fotones, pueden considerarse como ondas y por consiguiente, experimentar fenómenos de difracción. Su longitud de onda valdrá.

λ= = ………(1)

donde “m” es su masa y “v” su velocidad. Normalmente, los electrones, antes de incidir en la muestra, son acelerado por un campo eléctrico, de voltaje V. la energía potencial de un electrón vale eV, y al transformarse en cinética

m =eV ……….(2)

Sustituyendo el valor de v de la ecuación (2) en la ecuación (1), tenemos:

=

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Diferencias más importantes, con respecto a la difracción de rayos X, son consecuencia de las propiedades del electrón:

a) Su longitud d onda es mucho menor

Por ello, el orden de la magnitud de las distancias “d” capaces de producir difracción es también menor. Ya no es posible considerar los atomos como puntuales o casi puntuales, como se hacía en rayos X, puesto que el diámetro atomico es mayor que la longitud de inda de los electrones: así pues, hay una contribución atómica a la difracción debido a los elementos constituyentes del mismo, puesto que las distancias entre los electrones atómicos y el núcleo son del orden de la magnitud adecuado para cumplir las condiciones de difracción

b) La energía de haz de electrones es mayor que la de los rayos X

Por ello, es suficiente para excitar los átomos a niveles energéticos superiores, perdiendo los electrones del haz la correspondiente energía. Los diferentes electrones del haz excitan distintos átomos a diversos niveles, con lo cual el conjunto de electrones que sufren este efecto salen con un espectro continuo de longitudes de onda

c) El mecanismo de difusión es diferente al de los rayos X

No obstante, los resultados son análogos formalmente. En efecto, los rayos X producen la polarización por desplazamiento de los electronesde la muestra, creando unos dipolos que reemiten la radiación. En el caso de los electrones, estos poseen carga eléctrica que desempeña un papel primordial.

d) Los electrones poseen un poder de penetración muy pequeño

Ya que son fuertemente difundidos por la materia. Por ello, solo es posible estudiar por este método sustancias gaseosas a presiones muy bajas (densidad muy pequeñas) o capas superficiales de capas condesadas.

e) Obtención de electrones.

Mediante un tubo de rayos catódicos, 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 metálico cilíndrico extrae y acelera los electrones del cátodo. El haz se colima a través de un orificio circular.

Después del ánodo se encuentra una rejilla de control para colimar el haz de electrones y el electrodo donde está el blanco. El extremo del tubo opuesto al filamento está recubierto por una pantalla fluorescente que emite luz al incidir los electrones sobre ella.

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Fig.2 Diagrama del tubo de difracción de electrones

Fig.3. Formación de los anillos de difracción.

Fig. 4 Representación esquemática de la condición de Bragg.

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Fuente de alimentación de alta tensión.

Disponemos de una fuente de alimentación de alta tensión que podemos variar. Jamás debe suministrarse al ánodo una tensión 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 dañar el blanco.

Fuente de alimentación de baja tensión.

Fuente que suministra una tensión continúa de unos 6 V para calentar el filamento del tubo de rayos catódicos.

Método

Considerando que el ángulo de difracción es pequeño, la condición del primer máximo de difracción se puede escribir como λ = dθ. Si D es el diámetro lineal de un anillo de difracción en la pantalla, entonces θ = (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 simetría del tubo es 130±2 mm. Por tanto, si d es la separación de los átomos de la red, la condición de difracción se puede escribir como función del voltaje de aceleración:

…………4

Si consideramos la estructura hexagonal del grafito tendremos dos periodicidades en la red, tal como se ve en las figuras 4 y 5. La fuente de baja tensión ha de estar conectada al filamento y la de alta tensión al ánodo. No se debe encender ninguna fuente hasta que el circuito haya sido revisado.

Una vez encendida la fuente de baja tensión ha de esperarse un rato a que se caliente el cátodo (al menos un minuto).

Seguidamente se enciende la fuente de alta tensión, poniendo antes a cero el potenciómetro que regula la tensión de salida. Aumenta la tensión hasta que se vean sobre la pantalla del tubo los anillos de difracción (que son algo difusos). Hay un imán con forma de luna que se puede colocar cerca del ánodo, girándolo hasta obtener una imagen más nítida. Para cada valor de la tensión de aceleración, mide el diámetro de los dos anillos considerando la circunferencia que pasa por la zona más luminosa de estos. Para ello se puede usar un Calibre o papel milimetrado vegetal fijado sobre el bulbo del tubo. En este último caso ha de Tenerse en cuenta que el radio de curvatura del bulbo es 65,0 mm. Representa gráficamente la relación entre el diámetro de los dos anillos, D, y la tensión de aceleración, VA. Para obtener una relación lineal representa D frente a 1/√VA. Considerando conocida la constante de Planck, la carga del electrón y su masa, usa la pendiente de estas rectas para estimar el espaciado de los átomos en la lámina de grafito.

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f) Interacción de los electrones con la materia

Los electrones son partículas que poseen carga e interactúan con la materia a través de la fuerza eléctrica. Esto significa que los electrones que inciden son influenciados tanto por la carga positiva del núcleo atómico como por los electrones que rodean el núcleo.

Fig. 6. Interacción de los electrones con la materia

 SEM: Microscopia electrónica de barrido.

Es aquel que utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen. Tiene una gran profundidad de campo, la cual permite que se enfoque a la vez una gran parte de la muestra. También produce imágenes de alta resolución, de forma que las características más ínfimas de la muestra pueden ser examinadas con gran amplificación. La preparación de las muestras es relativamente fácil ya que la mayoría de los SEM sólo requieren que estas sean conductoras. De esta forma, la

muestra generalmente es recubierta con una capa de carbono o una capa delgada de un metal como el oro para conferirle carácter conductor. Posteriormente, se barre la superficie con electrones acelerados que viajan a través del cañón. Un detector formado por lentes basadas en electroimanes, mide la cantidad e intensidad de electrones que devuelve la muestra, siendo capaz de mostrar

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figuras en tres dimensiones mediante imagen digital. Su resolución está entre 4 y 20 nm, dependiendo del microscopio.

Electrones secundarios.

Son electrones de baja energía (decenas de eV) que resultan de la emisión por parte de los átomos constituyentes de la muestra (los más cercanos a la superficie) debido a la colisión 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 átomos de la muestra y han sido reflejados, La intensidad de emisión de los electrones retrodispersados depende del número atómico medio de los átomos de la muestra, así los átomos más pesados producen mayor cantidad de electrones retrodispersados. Una imagen originada por los electrones retrodispersados revela diferencias en la composición química por diferencias de contraste.

 TEM: Microscopia electrónica de transmisión

Es el que utiliza un haz de electrones para visualizar un objeto, debido a que la potencia amplificadora de un microscopio óptico está limitada por la longitud de onda de la luz visible. Lo característico de este microscopio es el uso de una muestra ultrafina y que la imagen se obtenga de los electrones que atraviesan la muestra.

Los microscopios electrónicos de transmisión pueden aumentar un objeto hasta un millón de 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 más claras o brillantes de la imagen de transmisión.

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II. DIFRACCION DE NEUTRONES 2.1. Concepto.-

La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. Debido a la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica es posible observar la difracción de partículas como neutrones o electrones.

La difracción de neutrones es una técnica cara. En el orden de que para conseguir una fuente de neutrones, un reactor nuclear es necesario.

Difracción de neutrones o dispersión de neutrones elástica es la aplicación de la dispersión de neutrones a la determinación de la estructura atómica y/o magnética de un material.

Una muestra a examinar se coloca en un haz de neutrones térmicos o frío para obtener un patrón de difracción que proporciona información de la estructura del material. La técnica es similar a la difracción de rayos X, pero debido a sus diferentes propiedades de dispersión, neutrones y rayos X proporcionan información complementaria.

Fig.07. Técnica de difracción de neutrones.

2.2.- Neutrón: Partícula que carece de carga y que forma parte del núcleo atómico de

cualquier elemento. Los neutrones, que tienen una masa similar a los protones, son necesarios para la estabilidad de los núcleos atómicos (con la excepción del hidrogeno)

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Los neutrones actúan en las reacciones nucleares, que se producen cuando un neutrón impulsa la fisión de un átomo y se genera un mayor número de neutrones que, a su vez, causa nuevas fisiones. De acuerdo a como se produzca esta reacción, puede hablarse de reacción controlada (se utiliza el moderador de un reactor nuclear para aprovechar la energía nuclear) o reacción incontrolada (se produce una masa crítica de combustible nuclear). FUENTES DE NEUTRONES  Reactor Nuclear  Reactor nuclear RP 10  Reactor nuclear RP 0 Fuentes radiactivas

 Am-Be Energía promedio: 5.48 Mev  Cf-252 Energía promedio: 2.3 Mev.

Fig.09. Espectro de fisión Fig.08 Fisión Nuclear

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2.3 Interacción con la materia NEUTRONES FOTONES  Núcleo  Nube electrónica  Depende de b  Depende de Z  Difusión Isótropa  Difusión anisótropa  Mayor penetración  Mayor absorción Tabla 01. Comparación Neutrón – Fotón.

2.4. Requerimientos instrumentales y muestra.-

La técnica requiere una fuente de neutrones. Los neutrones se producen generalmente en un reactor nuclear o fuente de espalación.

En un reactor de investigación, se necesitan otros componentes, incluyendo un monocromador de cristal, así como filtros para seleccionar la longitud de onda deseada de neutrones.

En una fuente de espalación, el tiempo de vuelo de la técnica se utiliza para clasificar las energías de los neutrones incidentes, por lo que no se necesita monocromador, sino más bien una serie de elementos de apertura sincronizada para filtrar los pulsos de neutrones con la longitud de onda deseada.

La técnica se lleva a cabo más comúnmente como difracción de polvo, que sólo requiere un polvo policristalino. Para el trabajo de cristal único, los cristales deben ser mucho mayores que los utilizados en la cristalografía de rayos X. Es común el uso de cristales que son aproximadamente 1 mm3.

Resumiendo, la principal desventaja de difracción de neutrones es el requisito para un reactor nuclear.

Para el trabajo de un solo cristal, la técnica requiere relativamente grandes cristales, que por lo general son difíciles de cultivar. Las principales ventajas de la técnica son muchas: sensibilidad a átomos de luz, la capacidad de distinguir los isótopos, ausencia de daño por radiación.

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2.5. Dispersión Nuclear.-

Al igual que todas las partículas cuánticas, los neutrones pueden presentar fenómenos de ondas asociadas típicamente con la luz o el sonido. La difracción es uno de estos fenómenos, sino que se produce cuando las ondas encuentran obstáculos cuyo tamaño es comparable con la longitud de onda.

 Si la longitud de onda de una partícula cuántica es lo suficientemente corto, átomos o sus núcleos pueden servir como obstáculos de difracción.

 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 separación típica entre los átomos en un material sólido. Tal un haz a continuación, se puede utilizar para llevar a cabo un experimento de difracción.

Los neutrones y los rayos X interactúan con la materia de manera diferente.

Los rayos X interactúan principalmente con la nube de electrones alrededor de cada átomo. La contribución a la intensidad de los rayos X difractados por lo tanto, es más grande para los átomos con número atómico mayor.

Por otra parte, los neutrones interactúan directamente con el núcleo del átomo, y la contribución a la intensidad difractada depende cada isótopo, por ejemplo, hidrógeno regular y deuterio contribuyen de forma diferente. También es a menudo el caso de que los átomos ligeros contribuyen fuertemente a la intensidad difractada incluso en presencia de grandes átomos de Z.

Esta difracción muestra picos de difracción bien definidos fuertes incluso en ángulos altos, particularmente si el experimento se realiza a bajas temperaturas. Muchas fuentes de neutrones están equipadas con sistemas de refrigeración de helio líquido que permiten la recolección de datos a temperaturas de hasta 4,2 K. La excelente información de alto ángulo significa que las posiciones atómicas en la estructura se pueden determinar con alta precisión.

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2.6. Dispersión Magnética.-

Aunque los neutrones no tienen carga, llevan a dar una vuelta, y por lo tanto al interactuar con momentos magnéticos, incluidos los derivados de la nube de electrones alrededor de unos átomos, la difracción de neutrones, puede revelar la estructura magnética microscópica de un material.

Dispersión magnética requiere un factor de forma atómica, ya que es causada por la nube de electrones mucho más grande alrededor de la pequeña núcleo. Por tanto, la intensidad de la contribución magnética a los picos de difracción será disminuir hacia los ángulos superiores.

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2.7. Aplicaciones.-

 Difracción de neutrones puede ser utilizado para determinar el factor de estructura estática de gases, líquidos o sólidos amorfos. La mayoría de los experimentos, sin embargo, apuntan a la estructura de los sólidos cristalinos, por lo que la difracción de neutrones en una herramienta importante de la

cristalografía.

 Difracción de neutrones está estrechamente relacionado a la difracción en polvo de rayos X.

 Una aplicación práctica de dispersión elástica/difracción de neutrones es que la constante de metales y otros materiales cristalinos celosía se puede medir con mucha precisión. Junto con un microposicionador alineados con precisión un mapa de la constante a través de la rejilla metálica se puede derivar. Esto se puede convertir fácilmente en el campo de tensión experimentada por el material. Esto ha sido utilizado para analizar las tensiones en componentes aeroespaciales y de automoción .

 Difracción de neutrones también se puede emplear para dar una idea de la estructura 3D de cualquier material que difracta.

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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%20Difracci on.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/T ecnicas_de_haces_de_neutrones_en_magnetismo.pdfç.(Revisado el dia 09-07-2014)) - http://books.google.com.pe/books.419&sa=X&ei=e5XCU4L4NdPnsAT69IL QBw&ved=0CDAQ6AEwBA#v=onepage&q=dispersion%20magnetica%20 de%20neutrones&f=false - http://centrodeartigos.com/articulos-educativos/article_4387.html - http://crashoil.blogspot.com/2012/05/radiactividad-y-radiacion.html

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