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11.20:

Cristalografia de Raios X

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Chemistry
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X-ray Crystallography

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Em 1913, o pai e os filhos cientistas William Henry Bragg e William Lawrence Bragg notaram que quando os raios X atacam um sólido cristalino a um determinado ângulo, os raios X difratam e produzem um padrão de pontos regularmente espaçados. Isto levou ao desenvolvimento da Cristalografia de raios X, que utiliza este fenómeno para determinar as estruturas de sólidos cristalinos que variam de compostos iónicos simples a macromoléculas complexas como ácidos nucleicos e proteínas. Recordaremos que difrasão são as ondas eletromagnéticas quem sofrerem construtivos e interferência destrutiva.Isto produz padrões de interferência, ou padrões de difração, mostrando a intensidade variável das ondas difratadas em diferentes pontos no espaço. Os raios X são difratados pelos elétrons dos átomos se os átomos forem espaçados regularmente e o comprimento do raio-x de onda é semelhante para a distância interatômica. Quando os raios X se difundem de átomos em diferentes planos, as ondas difratadas podem ou pode não estar em fase.Isto depende do espaçamento interplanar, d, e o ângulo em que os raios x atingiram os átomos, ou o ângulo de incidência, theta. Isto porque os caminhos que os raios x tiram da fonte para o detetor que têm comprimentos diferentes. Se a diferença do caminho é um número inteiro múltiplo do comprimento de onda das radiografias, depois os raios X interferem de forma construtiva.Isto resulta no padrão de regularidade manchas espaçadas de difração ondas observadas pelos Braggs, onde cada ponto representa um ângulo de difração resultante em interferência construtiva. A relação entre o ângulo de difração, o espaçamento interplanar, e o comprimento de raio-x de onda é expresso com a equação de Bragg. Esta relação fornece informação sobre o arranjo subjacente altamente ordenado dos átomos no cristal.Em última análise, os parâmetros da malha podem ser derivados desta informação através de uma série de cálculos. Instrumentos modernos recolhem padrões de difração de muitas orientações diferentes e utilizam os padrões e a mancha de intensidades para identificar a estrutura cristalina que é mais provável que produzam a combinação de resultados observada.

11.20:

Cristalografia de Raios X

O tamanho da célula unitária e o arranjo dos átomos em um cristal podem ser determinados a partir das medidas da difração dos raios X pelo cristal, denominado cristalografia de raios X.

Difração

A difração é a mudança na direção do deslocamento experienciada por uma onda eletromagnética quando encontra uma barreira física cujas dimensões são comparáveis às do comprimento de onda da luz. Os raios X são radiação eletromagnética com comprimentos de onda com cerca do mesmo comprimento que a distância entre átomos vizinhos em cristais (na ordem de alguns angstroms). Quando um feixe de raios X monocromáticos atinge um cristal, os seus raios são espalhados em todas as direções pelos átomos dentro do cristal. Quando as ondas dispersas que se deslocam na mesma direção se encontram umas às outras, sofrem interferência, um processo através do qual as ondas se combinam para produzir um aumento ou uma diminuição da amplitude (intensidade), dependendo da extensão em que os máximos das ondas combinadas são separados.

A Lei de Bragg e a Equação de Bragg

Quando os raios X de um certo comprimento de onda, λ, são dispersos por átomos em planos cristalinos adjacentes separados por uma distância, d, podem sofrer interferência construtiva quando a diferença entre as distâncias percorridas pelas duas ondas antes da sua combinação é um factor inteiro, n, do comprimento de onda. Esta é a lei de Bragg. Esta condição é satisfeita quando o ângulo do feixe difratado, θ, está relacionado com o comprimento de onda e a distância interatómica pela equação: = 2d sin θ. Esta relação é conhecida como a equação de Bragg em homenagem a W. H. Bragg e W. L. Bragg, os físicos Ingleses que explicaram este fenómeno. Eles receberam o Prémio Nobel de Física em 1915 pelas suas contribuições.

Este texto foi adaptado de Openstax, Chemistry 2e, Section 10.6: Lattice Structures in Crystalline Solids.