El documento resume la historia y los métodos de la difracción de neutrones. Explica que los neutrones se producen en reactores nucleares o fuentes de espalación y que pueden usarse para estudiar la estructura atómica de los sólidos y líquidos mediante difracción. También describe los componentes clave de un difractómetro de neutrones como el monocromador, colimadores y detector, y cómo se usa para obtener datos de difracción.

1. Universidad de los Andes
Facultad de Ciencias
Departamento de Química
Postgrado Interdisciplinario en Química Aplicada
Seminario de Cristalografia
Difracción de Neutrones
Presentado por: Lic. Pedro Rodríguez
Mérida - Enero de 2007

2. Que vemos, como lo vemos...

3. Algo de historía:
•En el año 1912, Von Laue con su equipo, demostró que los rayos-x
correspondían a radiación electromagnética, los sólidos poseen estructuras
tridimensionales con la peculiaridad de que éstas son periódicas.
•Al poco tiempo, la familia Bragg hizo uso de este descubrimiento al
desarrollar técnica de difracción de rayos-x, cómo un método para estudiar
en detalle las estructuras de los sólidos a una escala atómica.
•En el año 1927 la difracción de electrones había sido demostrada y una
técnica de difracción de electrones análoga a la de los rayos-x fue
desarrollada.
•En el año 1932, se descubre la existencia del neutrón y esta condujo a la
demostración en el año 1936, de que también puede ser difractado y
corroborando en forma muy convincente la dualidad onda-partícula. El
problema que se tuvo en aquella época fue las débiles fuentes de neutrones
con que se contaba, cosa que cambió en el año 1942 con la apararión de
los reactores nucleres.
Aumento de la Intensidad 104 veces,
Arquitectura atómica: Sólidos y Líquidos

4. •En 1930 dos físicos alemanes, Walter Bothe y Herbert Becker, informaron
que habían liberado del núcleo una misteriosa radiación nueva de inusual
poder penetrador.
Bombardeando Be con partículas alfa
•Dos años después, el descubrimiento de Bothe-Becker fue seguido por los
físicos franceses Frédéric e Iréne Joliot-Curie. (Iréne era la hija de Pierre y
Marie Curie, y Joliot añadió su nombre al propio al casarse con ella.)
Emplearon la recién descubierta radiación del berilio para bombardear
parafina, una sustancia cerosa compuesta de hidrógeno y carbono. La
radiación expulsó a los protones de la parafina.
Algo de historía: Los Neutrones

5. •El físico inglés James Chadwick sugirió: radiación formada por partículas.
Para determinar su tamaño, bombardeó átomos de boro con ellas y a
partir del incremento en masa del nuevo núcleo, calculó que la partícula
añadida al boro tenía una masa más o menos igual al protón. Sin embargo, la
partícula en sí no podía detectarse en una cámara de niebla de Wilson.
Chadwick decidió que la explicación debía ser que la partícula NO poseía
carga eléctrica (una partícula sin carga no produce ionización y, por lo tanto,
no condensa gotitas de agua).
•Chadwick llegó a la conclusión de que había emergido una partícula del todo
nueva, una partícula que tenía aproximadamente la misma masa del protón,
pero sin carga o, en otras palabras, era eléctricamente neutra. La posibilidad
de una partícula así ya había sido sugerida y se propuso un nombre:
Neutrón, Chadwick aceptó esa denominación.
•El teórico alemán Werner Heisenberg anunció que el concepto de un núcleo
que consistía en protones y neutrones, más que de protones y electrones.
Algo más:

6. Métodos Difractométricos.
Estructura cristalina y fundamentos
de la difracción.
Difracción de rayos-X de monocristal.
Difracción de rayos-X de muestras
policristalinas.
Difracción de Neutrones.

7. Proceso de Difracción
“La difracción es un fenómeno netamente ondulatorio”
Los requisitos para la difracción son:
(1) Que el espaciado entre capas de átomos sea
aproximadamente el mismo que la longitud de
onda de la radiación
(2) Que los centros de dispersión estén
distribuidos en el espacio de una manera muy
regular
Haz
Incidente
Haz
Difractado
En 1912, W. L. Bragg
AP + PC = nλ
AP = PC = d sen θ
nλ = 2d sen θ
d
n
sen
2
λ
θ =
Ley de
Bragg

8. ¿Qué ven los Rayos-X y los
neutrones?
Los rayos-X y los neutrones perciben al
mundo de manera distinta.
Los rayos –X ven a los electrones
Los neutrones ven a los núcleos

9. Comparación entre Neutrones y
Rayos-X
La ventaja de usar neutrones en el estudio de los sólidos, líquidos y
gases radica en las siguientes propiedades:
•El cambio de energía de los neutrones térmicos debido a los procesos de
scattering inelástico involucrados en la creación y aniquilación de excitaciones
en los sólidos, líquidos gases es frecuentemente del mismo orden de magnitud
que su energía inicial.
•El neutrón es una partícula neutra, por tanto capaz de penetrar profundamente
la materia, en contraste con los rayos-x, cuya penetración es del orden de los
micrones; los electrones alcanzan a interactuar sólo con las primeras capas
atómicas. Debido a la ausencia de carga los neutrones al interactuar con la
materia lo hacen esencialmente con los núcleos atómicos y prácticamente no
son vistos por los electrones (excepto en materiales magnéticos donde el
scattering electrónico es apreciable).

10. •El neutrón tiene momento magnético, lo que hace que los neutrones
interactúen con los electrones no apareados en átomos de materiales
magnéticos.
La dispersión de neutrones es
isotrópica y no decae con senΘ/λ
No varia con Z como los rayos-X e
isótopos diferentes del mismo
elemento difractan de forma
diferente los neutrones.

11. Imagen vista por rayos-X.
En rojo: distribución de densidad
electrónica
Imagen vista por neutrones.
En azul: distribución de densidad nuclear
En púrpura: átomos de hidrógeno
Comparación entre Neutrones y
Rayos-X

12. La combinación de las imágenes de
rayos-X y neutrones nos permite
ver mejor
Neutrones: hidrógenos
de las partes plásticas
de la cámara
Rayos-X: partes
metálicas de la cámara

13. •Fuentes Estacionarias (Reactores Nucleares)
•Fuentes de Espalación (Sincrotron)
Fuentes de Neutrones
European Synchrotron
Radiation Facility
(ESRF)
Sincrotron
Reactor Nuclear
Este reactor es una piscina, moderado y
refrigerado por agua liviana.

14. Reactores Nucleares y
Haces de Neutrones
En los reactores de investigación la temperatura del moderador generalmente
está entre 20ºC y 100ºC, que corresponde a las longitudes de onda para
neutrones térmicos entre 1,47 Å y 1,27 Å con energías entre 0,035 eV y 0,048
eV, respectivamente.
Los neutrones que alcanzan un equilibrio térmico con el moderador, llamados
neutrones térmicos, tiene una distribución maxwelliana de velocidades. La
longitud de onda de un neutrón esta relacionada con su energía y velocidad
por:
λ=h/mv Luego: h/(2mE)1/2

15. Neutrones producidos en reactores
nucleares
El corazón del reactor, dónde se ubica el combustible
nuclear, se encuentra en el fondo interior deuna
piscina de 10 metros de profundidad y es ahí donde
tiene lugar la reacción de fisión nuclear.
La piscina permanece llena de agua desionizada y
desmineralizada. El agua cumple tres funciones
importantes:
· Moderador de la reacción del núcleo.
· Refrigerante del núcleo.
· Protección contra la radiación.

16. Facilidades Experimentales
Los experimentos en el exterior del reactor son posibles
gracias a los haces de neutrones que son extraídos
mediante tubos que llegan frente al núcleo.
1. Tangencial sur, que se utiliza para realizar
experimentos de neutrografías.
2. El radial sur, donde se han instalado un
espectrómetro de neutrones que utiliza la técnica de
tiempo de vuelo, y un difractómetro de neutrones de
ángulo pequeño.
3. El radial central, donde está instalado el difractómetro
de neutrones para muestras de polvo “Delilah”.
Flujo promedio de Neutrones: 1*1013 neutrones/cm2-s, luego de colimar el Flujo cae a
1*1011 neutrones/cm2-s

17. En general un difractómetro de neutrones consiste en un
detector de neutrones que barre un arco centrado en una
muestra y que registra la intensidad de los neutrones difractados
en función del ángulo 2Θ formado por el haz directo y la posición
del detector.
Difractómetro ubicado en el hall del reactor tubo radial
central: Estudios de muestras policristalinas pero también
de monocristal.
Haz policromático pasa a través de un colimador y luego
por un monocromador de germanio.
Haz monocromático incide sobre la muestra, radiación al
detector que gira.
Datos registrados automáticamente.
El difractómetro de polvo “Delilah”

18. Componentes del difractómetro
Los componentes más importantes del difractómetro son los
siguientes:
Monocromador
Colimadores
Cámara de fisión
Mesa experimental
Portamuestras
Detector de neutrones
Electrónica de control y registro de datos.

19. Monocromador: El monocromador que se utiliza es un cristal de germanio
prensado que tiene la forma de un disco de 100 mm de diámetro y 11 mm de espesor,
aproximadamente.
Colimador: Una de las características importante de un difractómetro de neutrones
es su resolución, la que está relacionada directamente con la divergencia angular del
haz. De manera que para reducir la divergencia del haz se utilizan colimadores multi-
rendijas (tipo Soller).
Camara de Fisión: La cámara de fisión consiste en un disco metálico de 85 mm
de espesor, aproximadamente, que es una cámara de ionización con una cara recubierta
con U235 (1000 µg/cm2). Los fragmentos de fisión del uranio producidos por los
neutrones producen una intensa ionización, pero de corta duración.
Mesa Experimental: es básicamente un plato de acero de 280 de diámetro,
montada sobre una estructura también de acero, a 38 cm debajo del haz directo. Sobre
ella va colocada la muestra en un soporte especialmente diseñado que permite subir o
bajar el portamuestra, como también girarlo mediante un pequeño goniómetro sobre el
cual va montada la cápsula portamuestra. La mesa puede girar en torno a su eje vertical
en el intervalo ±180º en pasos de 0.01°

20. Capsulas Portamuestras: Los portamuestras que generalmente se utilizan
para este tipo de experimentos son cápsulas cilíndricas cerradas, que permiten contener
muestras líquidas y de polvo. El material para fabricar estas cápsulas debe ser tal que no
distorsione el espectro de difracción de la muestra, normalmente se utilizan cápsulas de
vanadio o aluminio.
Detector: Los neutrones difundidos son registrados por un detector que gira en
torno al eje principal de difractómetro (eje de la mesa experimental). El detector que se
utiliza es un contador proporcional cilíndrico lleno de trifloruro de boro (BF3) gaseoso,
enriquecido en el isótopo 10B, a 1 atmósfera de presión. La ventana de entrada para los
neutrones, ubicada en un extremo, es de cerámica. El cilindro es de cobre de 39,7 cm de
largo y 5 cm de diámetro.
Cuando un neutrón entra al detector es absorbido por un número de 10B el cual se
transmuta a 7Li emitiendo una partícula α:
Son las partículas α , con una energía de ∼1,5 MeV, las que ionizan el gas produciendo
pulsos eléctricos que son amplificados y registrados.

21. Electrónica de control y registro de datos
La electrónica asociada al difractómetro está constituida básicamente por las siguientes
unidades:
a) Unidad para ubicar el monocromador
b) Unidad para ubicar el detector
c) Unidad para monitorear la intensidad del haz
d) Unidad de almacenamiento de datos
e) Microprocesador para control automático

22. •Se basa en la reacción de fisión auto-sostenida y continua del
isótopo 235U altamente enriquecido.
•Se producen neutrones distribuidos en el espectro de fisión
alrededor de 1 Mev. La mayoría de los neutrones son moderados,
es decir, desacelerados, haciéndolos colisionar con líquidos
refrigerantes como D2O, que se mezcla con el combustible para
propagar la reacción. Algunos neutrones se escapan como
neutrones rápidos dentro de moderadores tales como D2O o Be,
hasta que alcanzan el equilibrio.
•El espectro de neutrones es de tipo Maxwell con una energía
promedio de ~25 meV , que corresponde a λ~1.8 Å.
Resumen:

23. Neutrones producidos en Sincrotrones o
fuentes de Espalación
Se producen por la colisión de partículas acelerados (partículas alfa,
protones, etc.) sobre un blanco, generalmente de tungsteno o uranio.
Los haces de protones se aceleran en pulsos de corta duración ‹ 1µs
hasta 500-1000 MeV, y después de chocar con el blanco producen
neutrones evaporados de alta energía.
Estos neutrones son de elevada energía y son moderados utilizando
capas de materiales ricos en hidrógeno, como por ejemplo el polietileno
mantenido a diferentes temperaturas.
Estos materiales desaceleran rápidamente a los neutrones y los dejan
escapar casi de manera instantánea, de tal manera que la duración de
los pulsos es inversamente proporcional a la velocidad de los
neutrones.
La frecuencia de los pulsos de neutrones obtenidos está entre 10 a 100
Hz.
Se utilizan técnicas de time of flight

24. Algunas características de la
radiación sincrotrónica
 Alta intensidad (brillantes)
 Espectro completo desde el utravioleta de alto vacío a la
región de los rayos-X ~0.1Å
 Poca divergencia del haz especialmente en el haz polarizado
 Polarización lineal de la radiación, con el vector eléctrico
paralelo al plano de la orbita
 El haz posee una estructura de pulsos con frecuencia en el
orden de 2 ns hasta 100 ns, que puede ser utilizado para
experimentos dependientes del tiempo.

25. Circunferencia del anillo: 844 m
Energía del electrón: 6 Gev
Número de líneas experimentales: 40
European Synchotron Radiation Facility
(ESRF)
Esquema de un Sincrotron

27. Configuración de los componentes
del anillo del Sincrotron
Anillo de
Almacenamiento
Magnetos dobladores Unduladores

28. Diseño de una Línea Experimental
1.Cabina óptica
2.Cabina experimental
3.Cabina de control

29. Sincrotron en Campinas Brasil
Laboratorio Nacional de Luz Sincronizada
(LNLS)

35. Ejemplo: Difractograma de polvo de
neutrones de FeO a 293 K y a 4.2 K
El difractograma de polvo de rayos-X del
FeO a 293 K es bastante diferente.
Cuando se enfría, el FeO se ordena
antiferromagnéticamente a 200 K.
El difractograma de baja temperatura (4.2
K) se observan como los picos nucleares
están desdoblados
Los nuevos picos magnéticos se puede
determinar la celda unidad magnética
Las intensidades de los picos magnéticos
se puede obtener la estructura
magnética

36. •La difracción de neutrones es esencial para estudiar con precisión la
posición de átomos ligeros en presencia de otros pesados.
•Los litios en conductores iónicos para baterías.
•Los protones en cambiadores iónicos ácidos.
•Los protones en los polímeros.
•Los hidruros con utilidad para almacenar hidrógeno.
•La difracción de neutrones es vital en la determinación de estructuras
magnéticas en compuestos ordenados magnéticamente como ferro,
antiferro o ferrimagnéticos, De la misma forma que los neutrones son
difractados por la red ordenada de núcleos atómicos, el espín del
neutrón es difractado por la red de espines ordenadas de la muestra.
Resumen:

37. Gracias