Los rayos x y su difracción por los cristales


El descubrimiento de los rayos x y su difracción por los cristales supuso un gran avance del conocimiento científico. Toda sustancia con un orden interno produce un diagrama de difracción de rayos x único. Si hubiera más de una sustancia en un mismo cristal, cada uno mostraría su diagrama independientemente de las otras.

Los rayos x fueron descubiertos en 1895 por Röntgen, por ello le concedieron el Premio Nobel en 1901. El pensó que no tenían nada que ver con la luz, más tarde se demostró que los rayos x son otra onda electromagnética más, como los rayos ultravioleta, los gamma, las ondas de radio o la luz visible. El ser humano no puede ver la mayoría con sus propios ojos.

El espectro electromagnetico
El espectro electromagnetico. Figura adaptada según aparece en las páginas del Berkeley Lab

Max Von Lauë, premio Nobel en 1914 por su descubrimiento y demostración de la difracción de los rayos x por los cristales, confirmó la longitud de onda de los rayos x. Sus primeros experimentos en este campo fueron con un cristal de esfalerita.

Sir William Henry Bragg y su hijo William, premios Nobel en 1915 por sus estudios sobre determinación de la estructura cristalina de muchos minerales, formularon de manera sencilla como se difractan los rayos x en los cristales. (Ley de Bragg)

 

¿Cómo se producen los rayos x?

El equipo genera mediante un transformador un voltaje (diferencia de potencial) entre el cátodo y el anticátodo. Al chocar los electrones contra el anticátodo se frenan, perdiendo esa energía total o parcialmente. La energía perdida se emite en parte como radiación x.

Los difractómetros que se utilizan para el análisis de minerales son relativamente sencillos, aunque no por ello baratos, ya que un equipo nuevo ronda los 120.000 euros. Estos equipos disponen de un generador de alta tensión (unos 5000 vatios) que se suministran al tubo de rayos x, que es donde se produce la radiación.

Cuando los electrones golpean el anticátodo se producen dos tipos de radiación x: blanca y característica. La blanca solo depende del voltaje que pasa por el cátodo. La característica depende del material del anticátodo, puede ser de Cu, Mb, etc Esta última radiación también se llama monocromática, y se debe a transiciones electrónicas en los átomos del material del anticátodo.

 

Vamos a ver lo que significa la difracción para luego poder aplicarlo a los rayos x:

La difracción es la deformación que experimentan las ondas cuando encuentran un obstáculo en su camino. Por ejemplo, las olas del mar se difractan si encuentran una isla en su recorrido. Las olas son también ondas y se “doblan” cuando algo interrumpe su paso. Cuando hay varios obstáculos hay interferencia de ondas. A veces interferencia y difracción de rayos x se utilizan indistintamente. Los rayos x se pueden difractar, los minerales actúan como redes de difracción para los rayos x, ya que el interior de los minerales son infinitos obstáculos periódicamente dispuestos, y lo más importante para entender la difracción de los rayos x por los minerales, la separación entre esos obstáculos es muy parecida a longitud de onda de los rayos x.

En los cristales la luz visible se refracta, es decir, en su interior la luz cambia de velocidad. Sin embargo los rayos x no cambian de velocidad en el interior de los cristales, al menos apreciablemente. Es decir no se refractan. Tampoco los rayos x son reflejados por la superficie de los cristales pero si que se absorben en función del mineral que sea. Por ello los cristales antirradiación x tienen plomo en su composición para que la radiación no llegue a las personas.

 

Funcionamiento del difractometro:

Para entender la ley de Bragg y el funcionamiento del difractómetro de rayos x hay que tener en cuenta la estructura interna de los cristales. Ese orden periódico que tiene cualquier mineral es lo que hace que en el haya planos, en esos planos están ordenados esos obstáculos de los que antes hablábamos. Para que se difracten los rayos x se debe cumplir la ley de Bragg que dice que el ángulo de incidencia es igual al de difracción. Como existen diferentes planos, si tuviéramos el haz de rayos x, la muestra y el detector de radiación estáticos habría planos que no cumplirían la Ley de Bragg. Por lo tanto sabríamos muy poco del cristal, ya que para saber de que se trata la muestra, debemos de lograr que se cumpla la ecuación de bragg para todas las familias de planos.
Esto se puede lograr de varias maneras, pero la más sencilla es hacer polvo la muestra a analizar, esto hace que haya pequeñísimos cristales del mismo mineral pero diferentemente orientados. El haz de rayos x incide en la muestra, y únicamente en los cristales con los que forma un ángulo concreto sale difractado un haz de rayos x. Por lo tanto como puede imaginarse hay cantidad de pequeños fragmentos de mineral (deben tener un tamaño inferior a 30 micras) que por su disposición en el espacio no cumplen la ley de bragg, por lo que estos no ayudan a definir la estructura del mineral.

El detector de rayos x va formando un arco sobre la muestra para detectar las diferentes intensidades difractadas. Este detector electrónico se basa en la capacidad de ionización de los rayos x. Antiguamente se usaba como dispositivo para detectar los rayos x, una película fotográfica. En el difractograma de rayos x veremos una serie de picos a diferentes angulos y con una intensidad determinada.

Los rayos x y su difraccion por los cristales
Los rayos x y su difraccion por los cristales

 

Juan Fernandez Buelga

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