Difraccion De Rayos X

Difracción de rayos x

Fluorescencia de los rayos x

Los rayos x

Los rayos X son una radiación electromagnética de la misma naturaleza que las ondas de radio, las ondas de microondas, los rayos infrarrojos, la luz visible, los rayos ultravioleta y los rayos gamma. La diferencia fundamental con los rayos gamma es su origen: los rayos gamma son radiaciones de origen nuclear que se producen por la des-excitación de un nucleón de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos, mientras que los rayos X surgen de fenómenos extra-nucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por desaceleración de electrones. La energía de los rayos X en general se encuentra entre la radiación ultravioleta y los rayos gamma producidos naturalmente. Los rayos X son una radiación ionizante porque al interactuar con la materia produce la ionización de los átomos de la misma, es decir, origina partículas con carga (iones).

generalidades

Todas las propiedades físicas y químicas de cualquier sustancia dependen de cómo se encuentran organizadas las unidades de menor tamaño, –átomos y moléculas—, que identifican un determinado material.

El conocimiento preciso de la situación relativa de los átomos y de la fortaleza de las interacciones o enlaces entre ellos permite entender las propiedades físicas, —color, conductividad eléctrica, propiedades magnéticas—, y químicas de las sustancias.

En algunos casos también nos permiten planear la modificación de estas propiedades, hacer que un plástico sea más resistente, o el catalizador de un motor de combustión más eficaz, etc.

El proceso experimental para la determinación de la estructura molecular de un compuesto comienza con la preparación de un cristal, una forma ordenada a nivel microscópico de dicha sustancia, el azúcar o la sal son ejemplos de nuestro entorno cotidiano de estructuras cristalinas.

Un experimento de difracción consiste en la irradiación con rayos X de estos pequeños cristales, que actúan dispersándolos sólo en unas direcciones determinadas, con intensidades que dependen de cómo se ordenan los átomos a nivel microscópico.

Con esta información, dirección e intensidad de cada rayo, los cristalógrafos somos capaces de obtener la estructura molecular.

Posteriormente, y en estrecha colaboración con el químico, el biólogo o el físico, habrá que tratar de relacionar las propiedades de ese material con la estructura determinada.

Interacción de los rayos X con la materia

Los rayos X interaccionan con la materia a través de los electrones que la forman y que se están moviendo a velocidades mucho menores que la de la luz. Cuando la radiación electromagnética X alcanza un electrón cargado éste se convierte en fuente de radiación electromagnética secundaria dispersada.

Todos los tipos de interacciones dan lugar a diferentes procesos en el material como pueden ser: refracción, absorción, fluorescencia, dispersión Rayleigh, dispersión Compton, polarización, difracción, reflexión,…

La absorción se produce por la atenuación del haz transmitido al perder energía por todo tipo de interacciones

Los procesos de fluorescencia, en los que un electrón es arrancado de un nivel energético del átomo, suministran información sobre la composición química del material. Debido a la expulsión de electrones de los diferentes niveles, se producen discontinuidades bruscas en la absorción contínua de la radiación por el material, lo que permite análisis local alrededor de un átomo (EXAFS).

En el efecto Compton, la interacción es inelástica y la radiación sale con menor energía. Este fenómeno siempre está presente en la interacción de los rayos X con la materia, pero por su baja intensidad, su incoherencia y por afectar a todas las direcciones, contribuye sólo a la radiación de fondo producida en la interacción.

Por dispersión nos vamos a referir aquí a los cambios de dirección que sufre la radiación incidente, y NO al caso de la separación de radiación en componentes según la longitud de onda.

¿Qué es la difracción de Rayos X?

La difracción es un fenómeno característico de las ondas, que consiste en la dispersión de las ondas cuando se interaccionan con un objeto ordenado. Ocurre en todo tipo de ondas, desde las sonoras, hasta las ondas electromagnéticas como la luz, y también los rayos X.

Los rayos X tienen longitudes de onda similares a las distancias interatómicas en los materiales cristalinos, por lo que podemos utilizar la difracción de rayos X como método para explorar la naturaleza de la estructura molecular.

La difracción de rayos X es el único método que permite, tras un procedimiento generalmente largo y complicado, determinar de modo exacto la estructura molecular de cualquier producto, ya sea un fármaco, un compuesto inorgánico, un mineral, un proteína o incluso un virus.

Fluorescencia y absorción de rayos X

Dos técnicas análogas a la fluorescencia y absorción atómicas son la fluorescencia y la absorción de rayos X. La diferencia principal es que en rayos X la muestra se excita con radiaciones mucho más energéticas que en espectroscopia atómica.

Cuando se irradia una muestra con fotones de rayos X, parte de estos fotones se absorben y parte se transmiten. La absorción va seguida de emisiones fluorescentes de rayos X. Cada tipo de átomo absorbe rayos X de una forma específica, e igualmente, los re-emite por fluorescencia de una forma característica. Dicho de otro modo, cada elemento químico tiene sus propios espectros de absorción y de fluorescencia de rayos X que sirven para diferenciarlo de otros elementos.

La fluorescencia es una técnica esencialmente elemental (es decir, permite identificar elementos químicos como Fe, Co…); la absorción da también información molecular. Una gran ventaja de estas técnicas sobre la espectroscopía atómica es que, a pesar de que las radiaciones son más energéticas, no destruyen la muestra porque no hay que atomizarla previamente. Además, los espectros de fluorescencia de rayos X son mucho más simples que los de fluorescencia atómica. Por su lado, los espectros de absorción de rayos X son muy peculiares: constan de un fondo continuo con picos. Cuando se estudia el espectro en alta resolución se puede observar que estos picos tienen estructura fina cuya inspección es objeto de varias técnicas derivadas.

En general, los átomos pesados absorben más radiación X que los ligeros. Por otro lado, las muestras absorben más cuanto más densas son y absorben menos cuanto más energética (y, por tanto, penetrante) es la radiación. Gran parte de la fluorescencia generada es reabsorbida por la muestra, por lo que la técnica de fluorescencia sobre todo es válida para estudiar la composición de la superficie de las muestras.

Estas técnicas no son especialmente adecuadas para analizar compuestos orgánicos porque estos están compuestos por elementos ligeros, como el C o el N, que absorben poco y consecuentemente dan escasa fluorescencia. Además, esta puede ser absorbida por los elementos pesados de la matriz. Finalmente, en los elementos ligeros la fluorescencia sufre la competencia de un fenómeno llamado de emisión de electrones de Auger, que son electrones arrancados del átomo. No obstante, se pueden determinar elementos de números atómicos muy bajos (entre 5 y 10) en condiciones especiales. Sí es ideal la fluorescencia para analizar metales.

Estas técnicas también se emplean con fines cualitativos, ya que en absorción es aplicable una ley análoga a la de Beer y en fluorescencia la intensidad de la emisión es proporcional a la cantidad de muestra. El problema es que para obtener resultados exactos y repetibles es necesario preparar la muestra muy cuidadosamente. Estas técnicas  mejoran mucho cuando se emplea como fuente la radiación X producida por un sincrotrón.

Los espectros de fluorescencia de rayos X se pueden registrar mediante equipos llamados “dispersores de longitudes de onda” o mediante equipos “dispersores de energía” (EDX).. Cada tipo tiene sus ventajas e inconvenientes, pero en general los últimos están ganando terreno en los laboratorios.

Fluorescencia de rayos X

La fluorescencia de rayos X (XRF, sigla en inglés) consiste en emisión de rayos X secundarios (o fluorescentes) característicos de un material que ha sido excitado al ser «bombardeado» con rayos X de alta energía o rayos gama. Este fenómeno es muy utilizado para análisis elemental y análisis químico, particularmente en la investigación de metales, vidrios, cerámicos y materiales de construcción, así como en la de geoquímica, ciencia forense y arqueología.

El proceso de producción de este espectro característico puede esquematizarse del modo siguiente:

Excitación: el choque de un electrón o fotón X incidente con un electrón de las capas internas del átomo, produce la expulsión de dicho electrón quedando el átomo en estado de excitado.

Emisión: este átomo en estado excitado tiende a volver inmediatamente a su estado fundamental, para lo cual se producen saltos de electrones de niveles más externos para cubrir el hueco producido. En este proceso hay un desprendimiento de energía, igual a la diferencia de energía de los niveles entre los que se produce el salto electrónico, en forma de radiación electromagnética correspondiente a la región de rayos X.

A la excitación producida por bombardeo de electrones se le denomina excitación primaria, y a la radiación

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