Este documento describe la producción y propiedades de los rayos X, y cómo se usan en cristalografía para determinar la estructura de los cristales. Explica que los rayos X se producen cuando electrones de alta energía chocan con un blanco metálico, y que al incidir sobre un cristal forman un patrón de difracción que revela la disposición atómica según la ley de Bragg. También señala aplicaciones importantes como la determinación de la estructura del ADN y la litografía de semiconductores

1. MATERIA: FÍSICA DE ESTADO SÓLIDO
NOMBRE DE LA TAREA: CRISTALOGRAFÍA Y RAYOS X
NUMERO DE TAREA: 4
NOMBRE DEL ALUMNO: VARGAS HERNÁNDEZ JORGE ALDAHIR

2. RAYOS X
Los rayos Xson de naturalezaElectromagnética.Presentapropiedadesde una Onda; y actúa como
e- fotón, y como Partícula (produce el efecto fotoeléctrico). Los rayos X son una radiación
ionizante porque al interactuarconlamateriaproduce laionizaciónde losátomosde la misma, es
decir, origina partículas con carga (iones).
Son descubiertos por William Crookes en su llamado tubo de Crookes pero Wilhem Conrad
Roentgen fue quien analizó a mayor detalle la naturaleza.
Los rayos Xson productos de la desaceleración rápida de electrones muy energéticos (del orden
1000eV) al chocar con un blanco metálico. Según la mecánica clásica, una carga acelerada emite
radiaciónelectromagnética,de este modo,el choque produce un espectro continuo de rayos X (a
partir de cierta longitud de onda mínima). La producción de rayos X se da en un tubo de rayos X
que puede variar dependiendo de la fuente de electrones y puede ser de dos clases: tubos con
filamento o tubos con gas.
El tubo con filamentoesuntubode vidrioal vacío enel cual se encuentran dos electrodos en sus
extremos.El cátodoesun filamentocalientede tungstenoyel ánodo es un bloque de cobre en el
cual está inmerso el blanco. El ánodo es refrigerado continuamente mediante la circulación de
agua, pueslaenergíade loselectronesal sergolpeadosconel blanco, es transformada en energía
térmica en un gran porcentaje. Los electrones generados en el cátodo son enfocados hacia un
puntoenel blanco(que por lo general posee una inclinación de 45°) y producto de la colisión los
rayos X songenerados.Finalmente el tubode rayosXposee una ventana la cual es transparente a
este tipo de radiación elaborada en berilio, aluminio o mica.
El tubo con gas se encuentra a una presión de aproximadamente 0.01 mmHg y es controlada
mediante una válvula; posee un cátodo de aluminio cóncavo, el cual permite enfocar los
electronesyunánodo.Las partículasionizadasde nitrógeno y oxígeno, presentes en el tubo, son
atraídas hacia el cátodo y ánodo. Los iones positivos son atraídos hacia el cátodo e inyectan
electronesaeste.Posteriormente los electrones son acelerados hacia el ánodo (que contiene al
blanco) a altas energías para luego producir rayos X. El mecanismo de refrigeración y la ventana
son los mismos que se encuentran en el tubo con filamento. Los sistemas de detección más
usuales son las películas fotográficas y los dispositivos de ionización. (Ilustración 1)
Cristalografía de rayos X
La cristalografía de rayos X nos proporciona la imagen más
adecuada que podemos tener de las estructuras cristalinas.
Los métodos de difracción de rayos X constituyen la
herramientamáspoderosade que se dispone para el estudio
de la estructuraíntima de la materiacristalina.Lamayor parte
de la información que poseemos de las estructuras internas
cristalinas es mediante la técnica de difracción de rayos X.
Ilustración 1 Producción de rayos X

3. De Browlie yThompson,cadaunopor su cuentademostraronque eraposible difractar la luz. Ésta
puede ser desdoblada en haces mediante una rejilla de difracción que consiste en una serie de
líneas muy cercanas y regularmente trazadas en una superficie plana. La difracción de la luz se
produce si su longitudde ondaesprácticamente lamismaque ladistanciaque hayentre las líneas
trazadas.La difracciónde las ondas electrtomagnéticas se produce porque los elementos de una
rejillaabsorbenlaradiaciónyactúana su vez como fuentes secundarias reemitiendo la radiación
en todas direcciones. En 1992, el físico alemán Max Von Laue y su equipo, sugirieron que los
átomos de un cristal están espaciados a una distancia tan pequeña que les permite servir como
elementos de una rejilla de difracción tridimensional para rayos X.
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 luz. Cuando la radiación electromagnética X
alcanzaun electróncargadoéste se convierte enfuente de radiaciónelectromagnética secundaria
dispersada, por lo que si se incide un haz de rayos X sobre un cristal, éste choca con los átomos
haciendo que los electrones que se encuentren en su trayectoria vibren con una frecuencia
idéntica a la de la radiación incidente y actúan como fuentes secundarias de nuevos frentes de
onda de rayos X con la misma longitud de onda y frecuencia.
APLICACIONES EN CRISTALOGRAFÍA Y SEMICONDUCTORES
La cristalografíade rayosX esuna técnicaconsistente enhacerpasarun haz de rayos X a través de
un cristal de la sustancia sujeta a estudio. El haz se escinde en varias direcciones debido a la
simetría de la agrupación de átomos y, por difracción, da lugar a un patrón de intensidades que
puede interpretarse según la ubicación de los átomos en el cristal, aplicando la ley de Bragg.
Es una de las técnicas que goza de mayor prestigio entre la comunidad científica para dilucidar
estructuras cristalinas, debido a su precisión y a la experiencia acumulada durante décadas,
elementosque lahacenmuyfiable.Susmayoreslimitaciones se deben a la necesidad de trabajar
con sistemascristalinos,porloque noes aplicable a disoluciones, a sistemas biológicos in vivo, a
sistemas amorfos o a gases. Es posible trabajar con monocristales o con polvo microcristalino,
consiguiéndose diferentesdatosenamboscasos.Parala resolución de los parámetros de la celda
unidadpuede sersuficienteladifracciónde rayos X en polvo, mientras que para una dilucidación
precisa de las posiciones atómicas es conveniente la difracción de rayos X en monocristal.
La cristalografíade rayosX desempeñóunpapel esencial enladescripciónde ladoble hélice de la
moléculade ADN.Estatécnicase utilizaampliamente enladeterminaciónde lasestructurasde las
proteínas.
Los rayos Xson muyimportantesparala fabricaciónde semiconductorespormediode unproceso
fundamental denominado litografía.
La litografíade rayosX esla próximageneraciónde litografíaque se supone sustituirá a la óptica y
que ha sido desarrollada por la industria de semiconductores. Usando esta técnica ya se han
fabricado algunos microprocesadores experimentales
El proceso de litografía es una secuencia de pasos muy usados en la fabricación de dispositivos
electrónicos, el objetivo es trazar un patrón en el material, que queda cubierto y protegido por

4. una resina.El propósitodel procesolitográficoesatacary removersoloalgunasáreasdel material,
implantar iones en lugares específicos, añadir una capa de algún otro material en algunas
secciones de la oblea, o como en nuestro trabajo, definir el área de los contactos de la fuente y
drenaje enlosdispositivosfabricados.Actualmente,el procesolitográfico, o fotolitográfico, como
también es conocido, es tan usado en la fabricación de dispositivos, que consume el 60% del
tiempo y el 40% de costo de fabricación de los dispositivos electrónicos. Además, para la
fabricación de una sola oblea con circuitos CMOS, se puede repetir hasta 50 veces el proceso
litográfico. Es tan importante, que prácticamente, el tamaño de los dispositivos depende de la
tecnología con que se cuente para realizar el proceso de litografía.
LEY DE BRAGG
Bragg se dio cuenta que los rayos X dispersados por todos los puntos de la red en un plano (hkl)
debíanestar enfase para que lasecuacionesde Laue se vieransatisfechasyaúnmás, ladispersión
a partir de sucesivosplanos(hkl)debíanestarasímismoenfase. Para una diferencia de fase igual
a cero lasleyesde lasimple reflexióndebenmantenerse para un plano sencillo y la diferencia de
caminopara reflexiones de planos sucesivos debe ser un número entero de longitudes de onda.
(ilustración 2).
En la figuraanteriorse observa cómo un haz incidente es difractado por dos planos sucesivos hkl
con espaciadointerplanar dhkl. La diferencia de camino recorrido por los dos haces de planos
sucesivos viene dada por la ecuación:
AB+BC = 2dhkl sen ,
De ahí la condición para que la difracción máxima sea:
2dhkl sen  = n
Bragg encontró que las trayectorias de difracción en los cristales podían explicarse como si
hubieran producido por reflexión de rayos X por planos hkl, pero sólo cuando la ecuación se
satisface.
Ilustración 2 Ley de Bragg

5. CONCLUSIONES:
El descubrimiento de los rayos X ha significado un gran avance en todas las ciencias,
especialmente en la ingeniería de materiales y medicina, así mismo gracias a la ingeniería
de materiales con la ayuda de dispositivos como el difractómetro de rayos X ha permitido
caracterizar e identificar más a detalle muchas de las características de la materia que nos
rodea. Gracias a esto muchas ciencias como la electrónica ha ido mejorando al ir
explotando ese conocimiento generado gracias a tales aparatos y dando nuevas
aplicaciones a esta tecnología de rayos X.