IX. COMPARACIÓN ENTRE RAYOS X Y NEUTRONES
COMO se mencionó en el capítulo anterior, además de los rayos
X también se utilizan neutrones para encontrar tanto estructuras
de sustancias cristalinas como otras propiedades de sus movimientos microscópicos.
En esta sección compararemos las características de la difracción de rayos X
con la de neutrones.
En primer lugar, queremos mencionar que al incidir tanto rayos X como un haz de neutrones sobre la materia, estas radiaciones interaccionan de maneras diferentes con los átomos que la componen.
Antes que nada, recordemos que un átomo está compuesto de un núcleo con carga eléctrica positiva que esta rodeado de una nube de electrones, que tienen carga eléctrica negativa. En conjunto el átomo es eléctricamente neutro.
Al incidir un haz de rayos X sobre un átomo, esta radiación interacciona solamente con los electrones del átomo; no interacciona con el núcleo. Ahora bien, resulta que mientras más electrones tenga el átomo, mayor será la intensidad de la interacción. Para átomos de muy pocos electrones, la radiación de rayos X casi no experimenta interacción alguna. Así, por ejemplo, si la muestra contiene átomos de hidrógeno, que recordamos tienen solamente un electrón alrededor de su núcleo, prácticamente "siente" a los rayos X. En consecuencia, usar los rayos X para determinar estructuras de sustancias que contengan muchos átomos de hidrógeno es muy difícil porque la intensidad de los haces difractados resulta ser muy baja. Sin embargo, determinar estructuras que contengan átomos de muchos electrones, por ejemplo cloro, que contiene 35 electrones, es relativamente fácil porque la interacción entre los rayos X y el átomo es muy fuerte y el patrón de difracción correspondiente es muy intenso.
La intensidad del haz difractado por los rayos X es proporcional al cuadrado del número de electrones. Esto significa que al aumentar al doble el número de electrones, la intensidad difractada aumenta cuatro veces, o sea dos al cuadrado; al aumentar al triple el número de electrones, la intensidad aumenta nueve veces, o sea tres al cuadrado, etcétera.
Por otro lado, al incidir un neutrón sobre un átomo, en virtud de su neutralidad eléctrica no interacciona con los electrones. Debido a ello, el neutrón puede penetrar con toda facilidad dentro del átomo, cruzar su nube electrónica y llegar al núcleo. Cuando el neutrón se encuentra a distancias muy pequeñas del núcleo se provoca una reacción entre el núcleo del átomo y el neutrón, interacción que es de origen nuclear. En consecuencia, un neutrón solamente interacciona con el núcleo de los átomos. La intensidad de la interacción depende del tipo de núcleo; de hecho, esta interacción depende de cuántos protones y neutrones se encuentren dentro del núcleo. Así resulta que, por ejemplo, al incidir un neutrón sobre un núcleo de hidrógeno, que contiene solamente un protón, interacciona muy intensamente. Esto significa que el neutrón "siente" fuertemente al hidrógeno y puede dar información acerca de sus características dentro del cristal. En general, la interacción que ocurra entre el neutrón y el núcleo dependerá de qué isótopo se trate. Distintos isótopos de un mismo átomo interaccionan de maneras diferentes con un neutrón.
Por lo tanto, al hacer experimentos para determinar estructuras, la utilización de rayos X y la de neutrones resultan ser complementarias. Cada una de estas radiaciones pone de relieve diferentes características de una estructura.
Existe otro tipo de consideración muy importante. De acuerdo con la moderna teoría microscópica de la materia que queda descrita por la mecánica cuántica, cualquier haz de luz y, más generalmente, cualquier haz formado de ondas electromagnéticas, está compuesto por un conjunto de partículas llamadas fotones,1 que son partículas muy especiales en el sentido de que no tienen masa. Lo anterior significa que las ondas electromagnéticas tienen, además, características materiales. De hecho su naturaleza es dual: onda-partícula
En cierto sentido, de manera inversa, también ocurre que bajo determinadas
circunstancias las partículas materiales que existen en la naturaleza se comportan
como si fuesen ondas2 y se les pueden asociar características
ondulatorias como, por ejemplo, longitud de onda. Resulta que esta última cantidad
depende de su energía: mientras mayor sea la energía de la partícula menor será
su longitud de onda y viceversa. En particular, los neutrones muestran este
comportamiento ondulatorio. Es justamente esta propiedad ondulatoria de los
neutrones la que da posibilidad de que puedan difractarse al incidir sobre un
cristal, que al igual que con los rayos X, funciona como una
rejilla de difracción. Recordemos que el fenómeno de la difracción ocurre solamente
con entes que tienen propiedades ondulatorias. Al hablar arriba de que los neutrones
se difractan en un cristal estábamos pensando en que tienen propiedades ondulatorias.
Ahora bien, los fotones que componen un haz de ondas electromagnéticas tienen una energía que depende de su longitud de onda. Esta dependencia es inversamente proporcional, o sea que mientras mayor sea la longitud de onda menor será la energía del fotón y viceversa. En el caso particular de los rayos X, dado que sus longitudes de onda son muy pequeñas, como ya lo vimos anteriormente, los fotones que componen esta radiación son partículas que tienen una energía muy alta comparada con la energía que tiene cada uno de los átomos o moléculas en una estructura cristalina. El valor de la energía de un fotón de rayos X es alrededor de un millón de veces más grande que la de los átomos en cuestión. Por lo tanto, al pasar este fotón energético por la posición en que se encuentra el átomo en el cristal, lo único que percibe es su posición media en la red. Por decirlo así, el fotón, por ser tan energético, pasa tan rápidamente por la posición donde se encuentra el átomo que casi no se da cuenta que este átomo se está moviendo. El fotón "ve" al átomo prácticamente en reposo. En consecuencia, la única información que se lleva el fotón y que en última instancia nos puede proporcionar, es sobre la posición del átomo. Una analogía a esta situación ocurre cuando viajamos en una carretera en un vehículo que va a una velocidad muy alta y rebasamos a otro vehículo que va a una velocidad muy baja. Nuestra impresión es que está en reposo. Antes de poder percibir cualquier característica del movimiento del vehículo lento, por ejemplo el giro de sus llantas, ya estamos muy lejos de él. Lo único que podríamos decir es dónde se encuentra el vehículo lento y nada más.
Por otro lado, resulta que un neutrón que tenga longitud de onda del orden de angstroms tiene una energía que es muy parecida a la que tienen los átomos en el cristal. A estos neutrones se les denomina lentos. En consecuencia, al pasar un haz de neutrones lentos por un cristal, éstos tienen la oportunidad de "ver" con todo detalle los movimientos que realiza dicho átomo ya que, por así decirlo, pasan en forma suficientemente lenta. En consecuencia, de un análisis de los cambios de energía que experimenta el neutrón a causa de su interacción con los átomos, es posible deducir el tipo de movimientos que realizan los átomos. En particular, dado que los átomos oscilan alrededor de los puntos de la red, es posible obtener información con neutrones, como, por ejemplo, acerca de las frecuencias de oscilación de los átomos. Más adelante hablaremos con mayor detalle sobre esto.
De lo que se ha mencionado se podría pensar que los neutrones son más útiles que los rayos X, ya que además de poder determinar la estructura cristalina de un sólido, también proporcionan información acerca de las características de los movimientos que realizan los átomos en el cristal. Sin embargo, como veremos en el próximo capítulo, resulta que las intensidades de los flujos de neutrones disponibles en la práctica son relativamente bajas, mientras que las intensidades de la radiación de rayos X que se pueden conseguir son muy altas. Por este motivo, la determinación precisa de estructuras se puede hacer de mejor manera con rayos X.
En resumen, con la utilización de rayos X se obtiene información de cierta naturaleza acerca de estructuras microscópicas de cristales, mientras que con neutrones se puede obtener información de otra naturaleza como los movimientos de los átomos que componen al cristal. Asimismo, ciertas estructuras no se pueden determinar con facilidad con la radiación X y si con neutrones y viceversa. Lo ideal es, entonces, utilizar tanto rayos X como neutrones para determinar propiedades estructurales de cristales, ya que así se complementan las informaciones obtenidas.
NOTAS
1 Véase, por ejemplo. E. Braun, op. cit., capítulo IX.
2 Ibid, capítulo XII.
