Lei de Bragg: diferenças entre revisões
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Revisão das 09h28min de 2 de abril de 2015
Em física do estado sólido, a Lei de Bragg está relacionada ao espalhamento de ondas quando incidentes em um cristal e sugere uma explicação para os efeitos difrativos observados por esta interação. Estes padrões são explicados relacionando os vetores de onda do feixe incidente e espalhado em uma rede cristalina para o caso de seu espalhamento elástico com os átomos do material. No caso de ondas de raios X, ao atingirem um átomo, o campo elétrico da radiação provoca uma força na nuvem eletrônica acelerando as cargas livres do material (elétrons). O movimento das mesmas re-irradia ondas de aproximadamente mesma frequência (o espalhamento não é totalmente elástico, podendo haver interações de criação e aniquilação de fônons, porém em uma escala de energia muito menor). Nesse modelo, as frequências incidente e espalhada são consideradas idênticas. As ondas emergentes interferem entre si construtiva e destrutivamente, gerando padrões de difração no espaço que podem ser medidos em um filme ou detector. O padrão de difração resultante é a base da análise difrativa, chamada difração de Bragg.
A difração de Bragg (também chamada de formulação de Bragg da difração de raios X) foi proposta originalmente por William Lawrence Bragg e William Henry Bragg em 1913, em resposta à descoberta de que sólidos cristalinos produziam padrões intrigantes de reflexão de raios x (ao contrário, por exemplo, de um líquido). Eles descobriram que esses cristais, para alguns comprimentos de onda e ângulos de incidência específicos, produziam intensos picos de radiação refletida (conhecidos como picos de Bragg). O conceito de difração de Bragg se aplica igualmente a processos de difração de nêutrons e de elétrons[1]. Ambos nêutrons e raios X possuem comprimento de onda compatível com as distâncias interatômicas (~150pm) e, portanto, constituem uma excelente ferramenta para se explorar essa ordem de grandeza de extensão.
W.L. Bragg explicou esse resultado empírico modelando o cristal como um conjunto de planos discretos, paralelos e separados por uma distância constante d, propondo que a radiação incidente produziria um pico de Bragg se as reflexões especulares de vários planos interferissem construtivamente, ou seja, se a diferença de fase entre as frentes de onda refletidas por planos consecutivos fosse de radianos.
A lei de Bragg foi derivada pelo físico Sir William Lawrence Bragg[2]. em 1912 e apresentada pela primeira vez em 11 de Novembro de 1912 à Sociedade Filosófica de Cambridge. Embora simples, a lei de Bragg confirmou a existência de partículas reais na escala atômica, e forneceu uma nova e poderosa ferramenta para o estudo de cristais utilizando difração de raios X e nêutrons. William Lawrence Bragg e seu pai, Sir William Henry Bragg, foram laureados com o Prêmio Nobel de física em 1915 por seu trabalho em determinar estruturas cristalinas, a começar pelo NaCl, ZnS e diamante. Eles são a única equipe formada por pai e filho a ganhar o prêmio conjuntamente. W.L. Bragg tinha 25 anos de idade, o que faz dele o mais jovem laureado pela academia Sueca.
Condição de Bragg
A periodicidade do cristal faz com que haja planos de átomos separados por uma distância fixa nas diferentes direções do espaço. A difração de Bragg ocorre quando a radiação eletromagnética ou ondas de matéria de comprimento de onda comparável à distância entre dois planos de átomos é refletida especularmente por planos consecutivos. Nota-se que partículas em movimento, incluindo elétrons, prótons e nêutrons têm um comprimento de onda associado de de Broglie:
,
onde é o momento da partícula.
A próxima equação é conhecida como Lei de Bragg. Para termos uma diferença de fase entre dois raios igual a radianos, é necessária a condição
onde é um inteiro, é o comprimento de onda da radiação incidente, é a distância entre planos atômicos e é o ângulo de incidência em relação ao plano considerado. Dessa maneira, existe uma dependência entre o ângulo de incidência e a intensidade refletida. Como cada plano reflete de a do total da radiação incidente, temos de a planos contribuindo para a reflexão total. Se os raios refletidos estão fora de fase, a soma das muitas contribuições(reflexões por planos diferentes) tenderá a zero, de maneira que podemos observar picos localizados nos ângulos onde condição de Bragg é satisfeita[3].
Densidade eletrônica
Análise de Fourier
Para entendermos melhor o comportamento da onda espalhada, vamos considerar como modelo um cristal perfeito, formado por uma célula primitiva que se repete no espaço. A descrição matemática do cristal é invariante sob uma translação espacial
onde os são números inteiros e os vetores são os vetores associados aos eixos do cristal, cujas magnitudes são as distâncias entre sítios (pontuais) da rede nas direções . Todas as propriedades locais do cristal, como densidade de momento magnético, concentração de carga ou densidade eletrônica, serão invariantes sob uma translação da forma para qualquer combinação de [4]
.
Essa periodicidade permite que realizemos uma expansão da densidade eletrônica em série de Fourier. Considerando primeiro apenas uma componente dimensional, temos:
,
onde e são constantes reais e . É imediato que
.
Um ponto é um ponto no chamado espaço recíproco do cristal. Os coeficientes da expansão serão tais que apenas os termos que condizem com a periodicidade do cristal no espaço real (das posições) poderão ser diferentes de zero.
É conveniente escrever a soma como uma exponencial complexa através da relação de Euler:
Com essa notação, podemos escrever a expansão como
,
onde o somatório percorre todos os valores inteiros de p. O termo agora é, em geral, um número complexo, portanto precisamos de uma condição que faça com que seja uma função real como tínhamos originalmente. A condição
faz com que
,
que é uma função real.
Estender o argumento para três dimensões é algo direto:
.
O somatório triplo foi omitido para preservar a clareza da expressão, mas é importante lembrar que a soma é realizada sobre todos as combinações possíveis de (definido na próxima subseção). Assim, precisamos encontrar um conjunto de vetores que satisfaçam a relação de invariância por translação .
Tendo a expressão para a expansão de Fourier para densidade eletrônica, podemos obter os coeficientes da expansão em uma dimensão através de
Substituindo a expressão expandida para na integral acima, temos
O caso faz com que o valor da integral seja
,
pois é um inteiro e . No caso , temos , de maneira que o valor da integral é e . De maneira semelhante, podemos inverter o caso tridimensional, obtendo
onde a integração é realizada sobre uma célula primitiva e é o volume da mesma.
Rede Recíproca
Podemos construir, a partir dos vetores da base , a base da rede recíproca[5]
ou de forma condensada, utilizando o tensor ou símbolo de Levi-Civita,
Por análise vetorial simples temos
onde é o delta de Kronecker.
Definimos como sendo um vetor da forma
,
onde os são números inteiros e os são a base da rede recíproca. Estamos agora em condições de descrever a periodicidade de combinando a definição de e a expansão em coeficientes de Fourier de :
O termo à direita pode ser escrito como
e como todos os são inteiros e a exponencial de vezes um número inteiro é um, obtemos o resultado desejado, isto é, a invariância da densidade eletrônica, pois
.
Amplitude de Espalhamento
Definimos a amplitude de espalhamento como sendo uma função que depende da densidade eletrônica e dos vetores de ondas incidente e refletido e , a princípio ondas planas monocromáticas:
.
As integrais são realizadas sobre o volume do cristal inteiro. Embora tenhamos considerado um modelo onde o cristal é perfeito e infinito, uma amostra macroscópica é aproximadamente infinita se comparadas as suas dimensões com as distâncias interatômicas de uma rede cristalina, da ordem de metros[6]. O vetor de onda incidente tem a mesma energia que o vetor difratado, conforme a condição de espalhamento elástico considerando a rede cristalina como muito massiva e imóvel. A condição de conservação de energia é
.
Definimos o vetor de espalhamento como sendo
,
de maneira que a expressão anterior se torna
.
Introduzimos agora a expansão em série de Fourier para nessa expressão para obter
.
Quando o vetor de espalhamento é igual a algum vetor da rede recíproca, isto é,
,
a exponencial é nula e
.
Quando o vetor de espalhamento difere significantemente de qualquer vetor da rede recíproca, o grande número de oscilações da exponencial devido à variação de dentro da integral faz com que rapidamente tenda a zero.
Podemos reescrever a relação entre os vetores de onda e os vetores da base recíproca utilizando a definição do vetor de espalhamento
.
Pela conservação da energia, obtivemos que as magnitudes dos vetores devem ser iguais. Portanto, tomando o produto escalar dos dois lados:
Portanto,
.
ou ainda
.
Pelas definições de rede recíproca, é possível mostrar que, se é um vetor da rede recíproca, então também é. Isso faz com que seja possível escrever a condição acima como
.
As últimas duas equações são formulações equivalentes da condição de difração de Bragg. O espaçamento entre planos cristalinos paralelos entre si, normais à direção
,
onde h, k, l são inteiros, é dado por
.
Combinando a definição de ,
onde é o comprimento de onda incidente, com a definição de produto escalar e do módulo de , temos:
,
sendo o ângulo entre os vetores e .
Conforme observamos acima, o vetor é normal ao plano . Logo, o vetor também é normal ao plano e o ângulo entre esse vetor e um vetor no plano considerado é . O menor ângulo formado entre o vetor de onda incidente e o plano é, por análise geométrica, igual a
ou rearranjando os fatores:
.
Podemos reescrever a condição de Bragg utilizando o ângulo entre o vetor incidente e o plano, ao invés de considerar o ângulo entre o vetor incidente e o vetor , utilizando a relação
Assim, recuperamos o resultado obtido pela análise geométrica simples, escrito à maneira usual da formulação da lei de Bragg:
.
Aqui, é o ângulo entre o vetor de onda e o plano cristalino descrito pelos inteiros h, k e l. Existe uma diferença entre essa equação e a primeira equação apresentada aqui como condição de difração, a saber, a multiplicação do lado direito da equação por um número inteiro. Isso se dá pelo fato dos índices de Miller poderem conter um fator comum n, que é eliminado no processo de obtenção dos mesmos. Fisicamente, isso significa que a expressão
dá a condição de difração de Bragg para um plano de índices de Miller .
Referências
- ↑ John M. Cowley (1975) Diffraction physics (North-Holland, Amsterdam) ISBN 0-444-10791-6.
- ↑ . Existem algumas fontes, como a Enciclopédia Acadêmica Americana, que atribuem a descoberta a ambos, pai e filho, mas o site oficial do Prêmio Nobel e as biografias escritas sobre ele ("Light Is a Messenger: The Life and Science of William Lawrence Bragg", Graeme K. Hunter, 2004 e Great Solid State Physicists of the 20th Century", Julio Antonio Gonzalo, Carmen Aragó López) são contundentes ao explicitar que William Lawrence Bragg derivou sozinho a lei
- ↑ Charles Kittel, (1996)Introduction to Solid State Physics, 7ª ed., pg.51 prob.4.b, John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-11181-3
- ↑ Uma dedução do modo como é aqui apresentado é utilizada em Kittel, C. (1996)Introduction to Solid State Physics, 7ª ed., pp.30-37
- ↑ O fator é comum em física do estado sólido pois facilita a análise de Fourier. Em cristalografia, é comum a omissão do mesmo.
- ↑ Kittel, C. (1996)Introduction to Solid State Physics, 7ª ed., pp.17