Métodos de Difração para Materiais

Os métodos de difração determinam a estrutura cristalina e a composição de fase de materiais medindo como raios X, nêutrons ou elétrons se espalham a partir do arranjo periódico de átomos.

Definition

Métodos de difração são técnicas de caracterização nas quais a radiação com comprimento de onda comparável ao espaçamento interatômico se espalha de um material cristalino, produzindo padrões de interferência que codificam a estrutura atômica periódica e as fases presentes.

Scope

Este tópico abrange a caracterização baseada em difração: a física do espalhamento de Bragg, difração de raios X de monocristal e pó para identificação de fase e determinação de estrutura, os papéis complementares da difração de nêutrons e elétrons, e a análise de padrões para extrair parâmetros de rede, tamanho de cristalito e deformação. Ele trata de como a difração revela quais fases cristalinas estão presentes e como seus átomos estão arranjados.

Core questions

• Como a lei de Bragg relaciona os ângulos de difração ao espaçamento atômico?
• Como a difração de pó é usada para identificar fases?
• Que informações complementares a difração de nêutrons e elétrons fornecem?
• Como os parâmetros de rede, o tamanho do cristalito e a deformação são extraídos dos padrões?

Key concepts

• Lei de Bragg
• Difração de monocristal e pó
• Identificação de fase
• Difração de nêutrons e elétrons
• Parâmetros de rede
• Tamanho e deformação do cristalito

Key theories

Difração de Bragg

Um cristal difrata a radiação apenas quando a diferença de caminho entre as ondas espalhadas de planos atômicos sucessivos é um número inteiro de comprimentos de onda; esta condição de Bragg fixa os ângulos nos quais a intensidade aparece e liga o padrão diretamente aos espaçamentos interplanares.

Difração de pó e análise de fase

Uma amostra policristalina apresenta todas as orientações cristalinas, fornecendo um padrão de anéis ou picos em ângulos característicos que serve como uma impressão digital para identificação de fase e, através do refinamento de padrão completo, para análise quantitativa de estrutura e microestrutura.

Mechanisms

A radiação incidente se espalha de elétrons ou núcleos por todo um cristal; as ondas espalhadas por átomos em planos periódicos interferem, reforçando apenas nos ângulos de Bragg, de modo que as posições medidas fornecem os espaçamentos interplanares e as intensidades fornecem o arranjo atômico dentro da célula unitária.

Clinical relevance

A difração é a ferramenta primária para verificar se uma síntese produziu a fase cristalina pretendida, para identificar fases e impurezas desconhecidas e para acompanhar as mudanças estruturais durante o processamento, reação e operação, tornando-a fundamental para quase toda a química de estado sólido e de materiais.

History

A demonstração de Von Laue em 1912 de que os cristais difratam raios X, e a lei de difração dos Braggs e as primeiras determinações de estrutura, tornaram a estrutura atômica dos sólidos mensurável. O método de refinamento de padrão completo de Rietveld, introduzido no final da década de 1960, transformou a difração de pó em uma ferramenta quantitativa para análise de estrutura e fase.

Key figures

• William Lawrence Bragg
• William Henry Bragg
• Hugo Rietveld

Seminal works

• cullity2014
• west2014

Frequently asked questions

Por que os raios X são usados para estudar cristais?

Os raios X têm comprimentos de onda comparáveis ao espaçamento entre os átomos em um cristal, que é a condição necessária para a difração. A luz de comprimento de onda mais longo não consegue resolver planos atômicos, então os raios X (e, similarmente, nêutrons e elétrons) são as sondas apropriadas para a estrutura cristalina.

Qual é a diferença entre difração de monocristal e difração de pó?

A difração de monocristal usa um cristal orientado para coletar um conjunto tridimensional completo de reflexões para uma solução de estrutura detalhada. A difração de pó usa muitos cristalitos orientados aleatoriamente, fornecendo um padrão unidimensional que é ideal para identificação rápida de fase e análise quantitativa.