Visita Encydia-Wikilingue.com

Difracción de elétrons

difracción de elétrons - Wikilingue - Encydia

A Difracción de elétrons é uma técnica utilizada para estudar a matéria fazendo que um faz de elétrons incida sobre uma mostra e observando o padrão de interferência resultante. Este fenómeno ocorre graças à dualidad onda-partícula, que estabelece que uma partícula de matéria (neste caso o elétron que incide) pode ser descrita como uma onda. Por esta razão, um elétron pode ser considerado como uma onda muito similar ao som ou a ondas na água. Esta técnica é similar à difracción dos raios-X ou a difracción de neutrones.

Conteúdo

Utilização

A Difracción de elétrons é frequentemente utilizada em física e química de sólidos para estudar a estrutura cristalina dos sólidos. Estes experimentos realizam-se normalmente utilizando um microscópio electrónico por transmissão (MET ou TEM por suas siglas em inglês), ou um microscopio elctrónico por escaneo (MÊS ou SEM por suas siglas em inglês), como o utilizado na difracción de elétrons por retrodispersión. Nestes instrumentos, os elétrons são acelerados mediante electroestática potencial para assim obter a energia desejada e incrementar sua longitude de onda dantes de que este interactúe com a mostra em estudo.

A estrutura periódica de um sólido cristalino actua como uma grade de difracción, dispersando os elétrons de uma maneira previsível. A partir do padrão de difracción observado é possível deduzir a estrutura do cristal que produz dito padrão de difracción. No entanto, esta técnica está limitada pelo problema de fase.

Aparte do estudo dos cristais, a difracción de elétrons é também uma técnica útil para o estudo de sólidos amorfos, e a geometria das moléculas gasosas.

História

A hipótese de De Broglie, formulada ao final de 1926 , propõe que as partículas também se comportam como ondas. Três anos mais tarde, a fórmula de De Broglie comprovou-se para os elétrons (que possuem massa em repouso) mediante a observação da difracción de elétrons em dois experimentos independentes. Um realizado por George Paget Thomson na Universidade de Aberdeen, quem fez passar um faz de elétrons através de uma delgada capa de metal e observou os padrões de interferência preditos. O outro experimento realizaram-no Clinton Joseph Davisson e Lester Halbert Germer nos Laboratórios Bell, eles fizeram passar um faz de elétrons através de uma grade cristalina. Por este trabalho, Thomson e Davisson compartilharam o Prêmio Nobel de Física em 1937 .

Teoria

Interacção dos elétrons com a matéria

A diferença de outros tipos de radiación utilizados em estudos de difracción de materiais, tais como os raios-X e os neutrones, os elétrons são partículas que possuem ónus e interactúan com a matéria através da força eléctrica. Isto significa que os elétrons que incidem são influenciados tanto pelo ónus positivo do núcleo atómico como pelos elétrons que rodeiam o núcleo. Em comparação, os raios-X interactúan com a distribuição espacial dos elétrons nas capas exteriores (elétrons de valor), enquanto os neutrones são dispersados pela força da interacção nuclear forte do núcleo. Ademais, o momento magnético dos neutrones é diferente de zero, pelo que também são dispersados por campos magnéticos. A diferença na maneira na que as três formas de radiación interactúan com a matéria permite que se possam utilizar em diferentes tipos de análise.

Intensidade do faz difractado

Na aproximacíon cinemática para a difracción de elétrons, a intensidade do faz difractado esta dada por:

I_\mathbf{g} = \left | \psi_\mathbf{g} \right |^2 \propto \left | F_\mathbf{g} \right |^2

Aqui \psi_\mathbf{g} é a função de onda do faz difractado e F_\mathbf{g} é o llamdo factor estrutural que é dado por:

F_{\mathbf{g}}=\sum_{i} f_i e^{-2\pi i\mathbf{g} \cdot \mathbf{r}_i}

onde \mathbf{g} é o vetor de dispersión do faz difractado, \mathbf{r}_i é a posição de um átomo i dentro da cela unidade,[1] e f_i é a capacidade de dispersión de um átomo, também chamado factor de forma atómico. O total é a soma de todos os átomos na cela unidade.

O factor estrutural descreve a forma em que um faz de elétrons será dispersado pelos átomos da cela unidade do cristal, tomando em conta as diferenças na capacidade de dispersión dos elementos no termo f_i. Dado que os átomos estão distribuídos espacialmente no grupo atómico, terá uma diferença na fase quando se considere a amplitude de dispersión de duas átomos dados. Esta deslocação da fase está tomado em conta no termo exponencial da equación.

O factor de forma atómico, ou capacidade de dispersión, de um elemento depende do tipo de radiación que se utilize dado que os elétrons interactúan com a matéria em forma diferente de como o fazem, por exemplo os raios-X.

Longitude de onda dos elétrons

A longitude de onda de um elétron esta dada pela equação De Broglie:

\lambda = \frac{h}{p}

Onde h é a constante de Planck e p o momento do elétron. Os elétrons são acelerados em um pontecial eléctrico U até a velocidade desejada:

v=\sqrt{\frac{2eU}{m_0}}

Aqui m_0 é a massa do elétron, e e é o ónus elementar. A longitude de onda do elétron será:

\lambda=\frac{h}{p}=\frac{h}{m_0v}=\frac{h}{\sqrt{2m_0eU}}

No entanto, em um microscopio de elétrons a aceleração potencial é usualmente de vários milhares de volts o que acelera ao elétron a uma considerável fracção da velocidade da luz. Um microscopio electrónico por escaneo pode operar com uma aceleração potencial de 10,000 volts (10 kV) com o que o elétron atinge uma velocidade de aproximadamente um 20% da velocidade da luz, enquanto um microscopio electrónico de transmissão pode operar a 200 kV elevando a velocidade do elétron até um 70% da velocidade da luz. Portanto, precisamos tomar em conta os efeitos relativistas. A equación da longitude de onda do elétron ficaria modificada desta forma:

\lambda = \frac{h}{\sqrt{2m_0eU}}\frac{1}{\sqrt{1+\frac{eU}{2m_0c^2}}}

Onde c é a velocidade da luz. O primeiro termo nesta expressão reconhece-se como a expressão derivada não-relativista, enquanto o último termo se conhece como o factor de correcção relativista. A lontgitud de onda dos elétrons em um microscopio electrónico de escaneo a 10 kV é então de 12.3 x 10-12 m (12.3 pm) enquanto em um microscopio electrónico de transmissão operando a 200 kV a longitude de onda é de 2.5 pm. Em comparação, a longitude de onda dos raios-X utilizados em um difracción de raios-X está na ordem dos 100 pm (Cu kα: λ=154 pm).

Difracción de elétrons em um microscopio electrónico de transmissão

A difracción de elétrons em sólidos realiza-se usualmente com um microscopio electrónico de transmissão onde os electrónes passam através de um filme ultra delgado do material em estudo. O padrão de difracción resultante é observado em um ecrã fluoroscente, fotografado em filme ou em forma digital.

Benefícios

Como se mencionou acima, a longitude de onda de um elétron acelerado em um microscopio electrónico por transmissão é bastante mais pequena que a da radiación utilizada nos experimentos de difracción de raios-X. Uma concecuencia disto é que a rádio da esfera Ewald é maior na difracción de elétrons que na difracción de raios-X, com o que o experimento de difracción pode revelar mais da distribuição bidimensional dos pontos na trama.

Ademais, a lente electrónico permite modificar a geometria do experimento de difracción. Conceitualmente, a geometria mais simples é um faz paralelo de elétrons incidindo perpendicularmente sobre a mostra. No entanto, quando os elétrons incidem sobre o especímen em forma de cone permitem, efectivamente, realizar uma difracción com diferentes ângulos de incidencia ao mesmo tempo. Esta técnica é telefonema Difracción de Elétrons de Faz Convergente (CBED por suas siglas em inglês), e pode revelar a simetría tridimensional do cristal.

Em um microscopio electrónico de transmissão, pode-se seleccionar um simples grão de cristal ou partícula para realizar o experimento de difracción. Isto significa que estes experimentos podem se realizar sobre cristais de tamanho nanométrico, enquanto outras técnicas de difracción devem utilizar uma mostra multicristalina limitando a observação. Ademais, a difracción de elétrons em um MET pode ser combinada com imagens directas da mostra, incluindo imagens de alta resolução da trama do cristal, e outras técnicas tais como a análise química da composição da mostra mediante uma espectroscopía de dispersión de energia com raios-X, investigação da estrutura electrónica e atração com uma espectroscopía por perda de energia electrónica, e estudos do potencial média interna com uma holografía de elétrons.

Funcionamento

1: Esquema do percurso de um faz de elétrons em um MET.
2: Padrão de difracción típico obtido em um MET com um faz de elétrons paralelo.

A figura 1 à direita é um layout simples do caminho que segue um faz de elétrons paralelo em um MET, iniciando justo acima da mostra e para abaixo até o ecrã fluoroscente. Conforme os elétrons passam através da mostra são dispersados pelo potencial electomagnético estabelecido pelos elementos que constituem a mostra. Depois que os elétrons abandonam a mostra passam através do objectivo (lente) electromagnético, que colecta os elétrons dispersados em uma mesma direcção e os enfoca em um sozinho ponto, este é o plano focal do microscópio e é aqui onde se forma a imagem. Manipulando a lente magnético do microscopio é possível observar o padrão de dispersión projectado no ecrã em lugar da imagem. Um exemplo de uma imagem obtida nesta forma mostra-se na figura #2.

Se a mostra inclina-se com respeito ao faz de elétrons, obtém-se um padrão de difracción com diferente orientação. Desta forma, a trama recíproca do cristal pode ser delineado em três dimensões. Estudando a ausência sistémica de pontos de difracción pode-se determinar a presença da trama Bravais, de qualquer eixo de rotação bem como planos de reflexão.

Limitações

A difracción de elétrons com um MET tem várias limitações importante. Primeiro, a mostra deve ser transparente aos elétrons, o que significa que o largo da mostra de ser da ordem de 100 nm ou menos. Portanto, pode que se precise uma preparação lenta e cuidadosa da mostra. Ademais, muitas mostras são vulneráveis aos danos da radiación do faz de elétrons.

O estudo de materiais magnéticos é difícil dado que os campos magnéticos desviam os elétrons pela força Lorentz. Apesar de que este fenómeno pude ser utilizado para studiar o domínio magnético dos materiais mediante a microcospía de forças de Lorentz, faz virtualmente impossível determinar a estrutura do cristal.

Ademais, a difracción de elétrons é com frequência considerada uma tecnica adequada para determinar simetría, mas inexacta para determinar parámetros do tramado bem como para determinar posições atómicas. Em princípio, este não é o caso exactamente: demonstrou-se que se podem obter parámetros do tramado com um erro relativo menor ao 0.1%. No entanto, é muito difícil obter as condisiones experimentales adequadas. Este procedimento segue sendo considerado como lento e os resultados são difíceis de interpretar, pelo que é comum que se prefira utilizar a difracción com raios-X ou de neutrones para determinar parámetros de tramado e posições atómicas.

Não obstante, a maior limitação da difracción de elétrons em um MET é o alto nível de interacção que se requer do utente, comparativamente. A difracción com raios-X ou neutrones está muito automatizada, ao igual que a interpretação dos dados obtidos. Pelo contrário, a difracción de elétrons precisa um alto nível de interacção por parte do utente.

Veja-se também

Anotações

  1. ↑ No artigo em inglês utiliza-se o termo "unit cell" que é o agrupamento atómico ou molecular básica, cuja repetição forma a trama da estrutura cristalina

Referências do artigo original

Enlaces externos

Obtido de http://ks312095.kimsufi.com../../../../articles/a/r/t/Encydia-Wikilingue%7EArt%C3%ADculos_solicitados_2358.html"
Your Ad Here