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:

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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