Difração de raios X

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Um difratômetro

No princípio tentou-se realizar a difração em um anteparo de chumbo com um orifício central, no entanto nada ocorreu, então chegou-se a conclusão que como o raio X apresentava um comprimento de onda muito pequeno seria muito difícil construir um obstáculo artificial. Foi a partir daí que começou a se usar os cristais para realizar a difração dos raios X (raios Röntgen).

Graças ao processo de difração foi possível determinar o comprimento de onda do raio X e concluiu-se que era menor que o comprimento de onda do raio ultravioleta e da mesma ordem que o tamanho do átomo.

O primeiro físico a usar os cristais como rede de difração para o raio-x foi Max Von Laue e por isso ganhou o prêmio nobel em 1914.

Análise[editar | editar código-fonte]

Hoje em dia, raios X de comprimento de onda bem determinados (produzidos por um tubo de raios x e selecionados por difração), são usados em análises de cristais. Quando este feixe definido difrata em um cristal desconhecido, a medida do(s) ângulo(s) de difração do(s) raio(s) emergente(s) podem elucidar a distância dos átomos no cristal e, consequentemente, a estrutura cristalina.

Este método de análise é muito procurado para análise de proteínas, e os ângulos dos feixes resultantes da difração são lidos pelo equipamento e processados por computador, que calcula e mostra as prováveis configurações dos átomos no cristal.

Uma das dificuldades desta técnica é a obtenção de cristais bem formados e de tamanho adequado. Alguns precisam ser feitos em ambiente de microgravidade.


Foi Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) quem descobriu e batizou os Raios X, além de fazer a primeira radiografia da história. Isto ocorreu quando Röntgen estudava o fenômeno da luminescência produzida por raios catódicos num tubo de Crookes. Este dispositivo, foi envolvido por uma caixa de papelão negro e guardado numa câmara escura. Próximo à caixa, havia um pedaço de papel recoberto de platinocianeto de bário. Conrad Röntgen percebeu que, quando fornecia corrente elétrica aos elétrons do tubo, este, emitia uma radiação que velava a chapa fotográfica, intrigado, resolveu intercalar entre o dispositivo e o papel fotográfico, corpos opacos à luz visível. Desta forma obteve provas de que vários materiais opacos à luz diminuíam, mas não eliminavam a emissão desta estranha irradiação induzida pelo raio de luz invisível, então desconhecido.

Isto indicava que a energia atravessava facilmente os objetos, e se comportava como a luz visível. Após exaustivas experiências com objetos inanimados, Röntgen resolveu pedir para sua esposa pôr a mão entre o dispositivo e o papel fotográfico.

A foto revelou a estrutura óssea interna da mão humana, com todas as suas formações ósseas, foi a primeira chapa de raios X, nome dado pelo cientista à sua descoberta em 8 de novembro de 1895. Depois de um tempo com a descoberta do raio X, Wilhelm descobriu que isso sem proteção causava vermelhidão da pele, ulcerações e empolamento. Em casos mais graves de exposição poderá causar sérias lesões cancerígenas, morte das células e leucemia, o que fez ele morrer.

A descoberta dos Raios x levaria posteriormente muitos outros cientistas a receberem o prêmio Nobel de física com pesquisas sobre o assunto.

Na Química[editar | editar código-fonte]

Na Química, a difração de raios X é usada para se obter características importantes sobre a estrutura de um composto qualquer.

No caso do raio X, os resultados são ainda mais precisos. Estas informações são geradas pelo fenômeno físico da difração e também da interferência, ou seja, quando os raios incidem sobre um cristal, ocorre a penetração do raio na rede cristalina, a partir disso, teremos várias difrações e também interferências construtivas e destrutivas. Os raios X interagirão com os elétrons da rede cristalina e serão difratados.

Com o uso de um dispositivo capaz de detectar os raios difratados e traçar o desenho da rede cristalina, a forma da estrutura gerada pelo espalhamento que refletiu e difratou os raios x, com isso é possível analisar a difração.

História[editar | editar código-fonte]

Até o fim do século XIX e início do século XX, cristalógrafos e mineralogistas haviam acumulado uma série de informações a respeito dos cristais pelos ângulos formados pelas faces, composição química e propriedades mecânicas, mas pouco havia sido levantado sobre o interior da estrutura atômica. Com o surgimento da mecânica quântica, no início do século XX, explicando os fenômenos que ocorrem em escala atômica, abriu-se para esses pesquisadores a perspectiva de interpretar a estrutura dos materiais que até então era somente fruto de especulações.

Os átomos do século XIX eram considerados esferas perfeitas, agrupadas lado a lado unidas pelas ligações químicas que se assemelhavam a molas. Assim, em 1848, o cristalógrafo francês Bravais determinou matematicamente que esferas poderiam ser arranjadas no espaço através de no máximo 14 arranjos, estes arranjos ficaram conhecidos como os 14 sólidos de Bravais.

Entretanto, a experiência de Rutherford, mostrou que o átomo é um "imenso" vazio, com a massa concentrada no núcleo, isso poderia ter causado um certo alvoroço, mas sempre sobram as forças interatômicas, que acabam por deixar os átomos nos seus devidos lugares. Assim, para o cristalógrafo os átomos poderiam continuar sendo esferas perfeitas.

Mas como provar que esses arranjos formavam as estruturas cristalinas dos materiais ? Para que possamos observar algo, o meio que usaremos para captar dados tem que ser menor que o objeto estudado, se o meio for maior que o objeto esse não terá sensibilidade par captar seus detalhes, como se usando as mãos e com os olhos fechados, quiséssemos descrever o formato de um grão de areia . Assim, para observarmos átomos não poderíamos usar a luz visível, já que os diâmetros atômicos são da ordem de angstrons (10–10 m), com isso, estruturas cristalinas como a cúbica do NaCl (sal de cozinha), tem 5,64 angstrons de face, já a luz visível, apresenta uma faixa de comprimento de onda de 4000 (violeta) até 7000 (vermelho) angstrons. Ou seja, o menor comprimento de onda da luz visível é cerca de 800 vezes maior que uma aresta da estrutura cúbica do sal de cozinha. Assim, o uso de luz visível para uma observação direta da estrutura cristalina está completamente descartada.

A descoberta[editar | editar código-fonte]

Em 1895 Roentgen descobriu acidentalmente os raios-X, que assim como as luz visível é uma radiação eletromagnética, mas com comprimento de onda na faixa de 0,5 até 2,5 angstrons. Ora, então poderíamos observar os átomos usando os raios-X ? Infelizmente não, isso porque os raios-X possuem alta energia, assim, quando eles atingem um átomo eles acabam interagindo com ele não retornando na forma de imagens, além disso, os átomos não são esferas rígidas, são uma estrutura complexa formada por elétrons, prótons e neutrons. Mas conhecia-se o fenômeno da difração, onde, quando um feixe de luz monocromático (apenas um comprimento de onda) passava por duas fendas formava franjas brilhantes intercaladas por escuras num anteparo. Se conhecêssemos os espaçamento das franjas brilhantes e o comprimento de onda poderíamos dizer a distância entre as duas fendas.

Foi então que em 1912 o físico alemão von Laue, sugeriu que se os átomos apresentam uma estrutura cristalina, átomos organizados de forma a apresentarem periodicidade ao longo do espaço, e que se os raios-X eram ondas eletromagnéticas com comprimento de onda menor que os espaços interatômicos, então os núcleos atômicos que concentram a massa dos átomos poderiam difratar os raios-X, formando franjas de difração. Quando Laue fez passar um feixe de raios-X por uma amostra monocristalina, e pôs um filme fotográfico após a amostra, o resultado foi que após revelar o filme este apresentava pontos sensibilizados pelos raios-X difratados.

As experiências de Laue despertaram grande interesse nos físicos ingleses, W. H. Bragg e seu filho W. L. Bragg, que formularam, ainda em 1913, uma equação extremamente simples para prever os ângulos onde seriam encontrados os picos de intensidade máxima de difração. Assim, conhecendo-se as distâncias interatômicas, poderiam ser resolvidas os problemas envolvidos na determinação da estrutura cristalina. Dessa forma, os Bragg determinaram sua primeira estrutura, a do NaCl. Transformando a difração de raios-X na primeira ferramenta eficiente para determinar a estrutura atômica dos materiais, fazendo com que a técnica obtivesse rapidamente grande popularidade entre os institutos de pesquisa.

Entre as décadas de 1920 e 1930, a literatura foi inundada por estruturas cristalinas determinadas por difração de raios-X. Todo mineralogista ou cristalógrafo da época tinha por obrigação determinar a estrutura cristalina de algum composto, mineral ou metal. A difração de raios-X também provocou surpresa ao demonstrar a estrutura amorfa do vidro, e também foi a principal ferramenta usada por Watson e Crick, em 1953, para propor a estrutura em dupla hélice do DNA. Padrão de difração de raios-X do DNA.

Ver também[editar | editar código-fonte]

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