Difração de Raios X e Nêutrons

Como seus comprimentos de onda correspondem aos espaçamentos interatômicos, os raios X e os nêutrons se espalham coerentemente dos planos cristalinos, e os padrões de difração resultantes revelam as posições atômicas na rede.

Definition

A difração de raios X e nêutrons são técnicas que determinam a estrutura cristalina medindo as direções e intensidades da radiação espalhada coerentemente do arranjo atômico periódico; a interferência construtiva ocorre quando a condição de Bragg ou, equivalentemente, de Laue relaciona o vetor de espalhamento a um vetor da rede recíproca.

Scope

Este tópico abrange a difração de raios X e nêutrons por cristais: a lei de reflexão de Bragg e a condição equivalente de Laue, os fatores de forma atômica e de estrutura que definem as intensidades dos picos, a construção da esfera de Ewald e as informações complementares da dispersão de raios X (sensível à densidade eletrônica) e da dispersão de nêutrons (sensível aos núcleos e momentos magnéticos). Ele conecta a geometria da rede recíproca de tópicos irmãos à determinação experimental da estrutura, enquanto deixa a instrumentação detalhada para campos aplicados.

Core questions

• Por que o comprimento de onda da sonda deve ser comparável ao espaçamento interatômico para que ocorra a difração?
• Como a lei de reflexão de Bragg e a condição de Laue são declarações equivalentes da mesma física?
• O que define a intensidade de um pico de difração e o que é o fator de estrutura?
• Como a dispersão de raios X e nêutrons fornece informações complementares sobre elétrons, núcleos e spins?

Key concepts

• Lei de Bragg e condição de Laue
• Fator de estrutura e fator de forma atômica
• Construção da esfera de Ewald
• Dispersão de raios X da densidade eletrônica
• Dispersão de nêutrons de núcleos e ordem magnética

Key theories

Lei de difração de Bragg

W. L. Bragg modelou a difração como reflexão de planos de rede paralelos, com interferência construtiva quando a diferença de caminho é igual a um número inteiro de comprimentos de onda, fornecendo a condição simples que fundamenta a determinação da estrutura cristalina.

Clinical relevance

A difração é o método primário para determinar a estrutura atômica de materiais e biomoléculas; a cristalografia de raios X estabeleceu as estruturas do DNA, proteínas e inúmeros compostos, enquanto a difração de nêutrons localiza unicamente átomos leves e resolve estruturas magnéticas.

History

A observação de Von Laue em 1912 da difração de raios X de um cristal provou tanto a natureza ondulatória dos raios X quanto a natureza de rede dos cristais; a formulação da lei de reflexão pelos Braggs em 1913 tornou o método quantitativo, e a difração de nêutrons seguiu assim que as fontes de reatores se tornaram disponíveis na década de 1940.

Key figures

• Max von Laue
• William Lawrence Bragg
• William Henry Bragg

Seminal works

• bragg1913
• ashcroft1976

Frequently asked questions

Por que raios X, e não luz visível, são usados para "fotografar" cristais?

A difração requer um comprimento de onda comparável ao espaçamento a ser resolvido; as distâncias interatômicas são de cerca de um angstrom, o que corresponde aos raios X e nêutrons térmicos, mas é milhares de vezes menor do que os comprimentos de onda da luz visível.

Quando a difração de nêutrons é preferida em relação aos raios X?

Os nêutrons se espalham dos núcleos em vez dos elétrons, então eles detectam bem átomos leves como o hidrogênio e são sensíveis a momentos magnéticos, tornando-os ideais para localizar elementos leves e para mapear estruturas magnéticas que os raios X geralmente não detectam.