APLICACIÓN DE RAYOS X EN CRISTALOGRAFIA.

APLICACIÓN DE RAYOS X EN CRISTALOGRAFIA.

En 1895, en físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen, descubrió los Rayos X mientras investigaba la fluorescencia violeta que producían los rayos catódicos Determinó que los rayos creaban una radiación muy penetrante, pero invisible, que atravesaba grandes espesores de papel e incluso metales poco densos. Usó placas fotográficas, para demostrar que los objetos eran más o menos transparentes a los rayos X dependiendo de su espesor y realizó la primera radiografía humana, usando la mano de su mujer. Los llamó "rayos incógnita", o "rayos X" porque no sabía qué eran, solo que eran generados por los rayos catódicos al chocar contra ciertos materiales. Pese a los descubrimientos posteriores sobre la naturaleza del fenómeno, se decidió que conservaran ese nombre.

Prácticamente todo lo que se conoce sobre la estructura cristalina, se ha aprendido a partir de estudios de difracción de Rayos X. La difracción de Rayos X se refiere a la dispersión de los Rayos X por las unidades de un sólido cristalino; con estos patrones de dispersión (o difracción) es posible deducir el ordenamiento de las partículas en la red solida.

¿Cómo puede detectarse en forma experimental la estructura de un sólido? De acuerdo con un principio fundamental de la óptica, la longitud de onda de la luz utilizada para observar un objeto, no debe ser mayor que el doble de la longitud del objeto en cuestión.

Como los átomos tienen diámetros de alrededor de 2 x 10-10 m. y la luz visible que detectan nuestros ojos tiene una longitud de onda de 4 a 7 x 10-7 m., es imposible ver a tomos aun con el microscopio óptico mas fino. Para "ver" átomos, se debe usar "luz" cuya longitud de onda sea aproximadamente, de 10-10 m., la cual, se encuentra en la región de los Rayos X en el espectro electromagnético.

Dado que los Rayos X son una forma de radiación electromagnética y por lo tanto de ondas, cabe esperar que manifiesten un comportamiento ondulatorio en condiciones adecuadas.

La difracción de la radiación electromagnética ocurre cuando un haz de Rayos X es dispersado por un objeto que contiene líneas o puntos espaciados regularmente (como las de una rejilla de difracción). Esta dispersión ocurre solo si el espaciamiento entre las líneas o los puntos, es comparable a la longitud de onda de la radiación.

El arreglo típico de las partículas de un cristal determina su propiedad más obvia: la forma, los diámetros de los átomos tienen casi la misma dimensión que las longitudes de onda de los Rayos X -aproximadamente 100 pm. (picometros)-, y la interacción de Rayos X con los átomos de un cristal, producen figuras de difracción. Los Rayos X interactúan con los electrones de los átomos, pero no con los núcleos.

A partir de medidas de las posiciones e intensidades de las manchas oscuras puede calcularse la densidad electrónica y representarse en un mapa de curvas de nivel. Como la densidad electrónica es máxima cerca del núcleo de un átomo, el mapa de curvas de nivel de densidad electrónica, muestra las posiciones de los centros de los átomos, las cuales determinan a su vez las longitudes de los enlaces y los ángulos entre ellos.

La figura 1.1 ilustra el arreglo típico de los componentes de un equipo de difracción de Rayos:

El haz de Rayos X se enfoca a un cristal montado. Los átomos del cristal absorben parte de la radiación recibida y luego la emiten, este proceso se denomina dispersión de Rayos X.

Para entender cómo se genera un patrón de difracción, se analizara la dispersión de Rayos X debida a los átomos de 2 planos paralelos (figura 3.1). Al principio, los 2 rayos incidentes están en fase, uno respecto del otro (sus máximos y mínimos coinciden en las mismas posiciones). La onda superior es dispersada, o reflejada, por un átomo del primer plano; en tanto que la onda inferior, es dispersada por un átomo del segundo plano.

Para que estas 2 ondas dispersadas entren en fase de nuevo, la distancia adicional que recorre la onda inferior debe ser un múltiplo entero de la longitud de onda (λ) de los Rayos X, es decir :

BC+ CD = 2dsen θ = n λ

donde Ө es el ángulo entre los Rayos X y el plano del cristal, y d es la distancia entre planos adyacentes. La longitud de onda (λ) es la distancia entre 2 picos o crestas sucesivas de la onda.

La técnica de Difracción de Rayos X es el método más exacta para determinar las longitudes y los ángulos de enlace de las moléculas en estado sólido. Dado que los Rayos X son dispersados por los electrones, los químicos construyen un mapa de contorno de densidad electrónica a partir de los patrones de difracción, empleando un procedimiento matemático complejo. Este método, también es el más aceptado para comprobar si es correcta la estructura propuesta para un compuesto nuevo.

Las figuras (o patrones) de difracción de Rayos X también se usan como "huellas dactilares" con pequeñas muestras de sólidos cristalinos. Se ha aplicado la Difracción de Rayos X para detectar obras de arte robadas, y para identificar automóviles que se fugan del lugar del accidente, a partir de raspaduras de pintura que dejan en la escena.

Esta herramienta también es usada en bioquímica. Por ejemplo, Watson, Crick y Wilkins, dedujeron la famosa estructura de doble hélice del ADN, que almacena la información genética, a partir de los datos de Rayos X recabados por Rosalind Franklin.

En 1997, la primera

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