sábado, 29 de mayo de 2010

Consecuencias del la reciprocidad

Consecuencias de la reciprocidad

– ¿qué ocurrirá cuando pongamos un arreglo donde las distancias entre los dispersores son menores?



Pues que las señales de difracción se separan más para el caso de las distancias menores y esto ocurre porque:


¿Y que pasará si pongo un cuadrado?



Que el número de dimensiones con reflexiones aumenta



¿Si ahora pongo un rectángulo?



Las reflexiones y su distribución cambian de forma



¿Si ahora pongo una red oblicua?



Otra vez reflexiones y su distribución cambian de forma



¿Si ahora hago una translación de la red oblicua?



La translación hecha es tanto en el eje de las x como en el de las y



Un buen observador inmediatamente notará que esta vez no hay cambios en la distribución de reflexiones respecto al caso anterior. De esta manera, tenemos que es posible relacionar cualquier punto de la red real a un punto de la red recíproca.



Para pasar de uno a otro empleamos esta transformación:

Vector normal a los planos (-1, 0)



Esto mismo lo haremos con diferentes familias de planos

Vector normal a los planos (-2, 1)



Vector normal a los planos (-1, 1)



Vector normal a los planos (-2, 1)






http://depa.fquim.unam.mx/jesusht/02-rayosX-difrac-SA.pdf



Nombre: Victor Adolfo Vega Flores
Ci: V-18.353.846
Asignatura: CRF

El espacio Recíproco

El espacio recíproco

El espacio recíproco y el espacio directo son recíprocos uno del otro y están relacionados por la transformada de Fourier. Al espacio recíproco se le llama también espacio de Fourier o espacio de fase.

En el espacio recíproco se puede definir la llamada lattice recíproca, como el conjunto de puntos imaginarios construidos de tal manera que la dirección de un vector desde un punto a otro del espacio recíproco, coincide con la dirección perpendicular a los planos del espacio real La separación de estos puntos (el valor absoluto del vector) es igual al valor recíproco de la distancia interplanar real.

Ewald inventó una construcción geométrica para visualizar cuales de los planos de Bragg están correctamente orientados para que ocurra la difracción Los puntos en la red recíproca representan los planos que forman la red real (red cristalina).Entonces la red cristalina determina (a través de relaciones definidas) los vectores de la red recíproca, el espaciamiento de los puntos de la en la red y las direcciones recíprocas asociadas. Si consideramos una red cristalina bidimensional definida por a, b y el ángulo γ, donde se muestran los planos d100 y d010, la red recíproca de esta, estará construida por los vectores recíprocos a* y b* y estarán separados por el ángulo γ∗


a* será perpendicular a los planos d100 y su magnitud será igual al recíproco de la distancia entre dichos planos. De manera similar b* será perpendicular a los planos d010 y su magnitud será igual al recíproco de la distancia entre dichos planos y por tanto γ + γ∗ =180º



Debido a las relaciones lineales que existen entre los planos se genera una red periódica estas relaciones lineales son como esta:


En general la periodicidad de la red periódica estará dada por esta expresión:


La expresión vectorial de los vectores de la red que definen cada plano hkl es esta:


Donde n es el vector unitario normal a los planos hkl para las redes que no son primitivas, como por ejemplo una que sea centrada en el cuerpo, pueden presentarse ausencias sistemáticas en la red recíproca, esto se debe a la construcción de la red. En esta figura se muestra como se usa una celda unitaria mayor (en verde) en vez de la primitiva (en rojo). Esta celda tiene la ventaja del ángulo recto entre a y b.


Esta red recíproca se construye usando los diferentes vectores de la red y distancias interplanares. Cuando se etiqueta respecto a los nuevos vectores de red recíprocos, las reflexiones vacías estarán ausentes.



Estas ausencias ayudan a distinguir las diferentes clases de redes cristalinas pues cada una tiene tiene ausencias sistemáticas características. En este caso los puntos con h+k es un entero impar están ausentes, debido a la definición de la celda unitaria. Si consideramos un círculo de radio r con dos puntos X y Y en su circunferencia.



Si el ángulo XAY se define como θ, entonces por simple geometría el ángulo X0Y será 2θ, y si además:



Si esta geometría se construye en la en el espacio recíproco,tiene implicaciones muy importantes. Si el radio se define como el inverso de la longitud de onda del haz de rayos X. Si Y es es el punto 000 de la red recíproca y X es un punto cualquiera hkl, entonces la distancia XY es:



Y por lo tanto:


El espacio recíproco, la esfera de Ewald

Entonces resumiendo, el espacio recíproco representa a los conjuntos de planos de la red cristalina:



Cada punto puede etiquetarse, de manera que el punto 000 es el origen del cristal y cada uno de los puntos representa una familia de planos del cristal



Este punto es donde incide el haz de rayos X, descrito por el inverso de su longitud de onda, pues estamos en el espacio recíproco



De esta manera podemos generamos una esfera con un radio igual al inverso de la longitud de onda y con el punto 000 tangente:



Si ahora giramos la dirección del haz de rayos X, veremos que en la superficie de la esfera aparece una reflexión



Y veremos que las condiciones de difracción en ese ángulo se cumplen



Nótese que el haz difractado está a 2θ del haz incidente




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Nombre: Victor Adolfo Vega Flores
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Difracción de Ondas



Difracción

En física, la difracción es un fenómeno característico de las ondas que consiste en la dispersión y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstáculo. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser deben finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor.

El fenómeno de la difracción es un fenómeno de tipo interferencial y como tal requiere la superposición de ondas coherentes entre sí.

Se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda.

En el espectro electromagnético los Rayos X tienen longitudes de onda similares a las distancias interatómicas en la materia. Es posible por lo tanto utilizar la difracción de rayos X como un método para explorar la naturaleza de la estructura cristalina. La difracción producida por una estructura cristalina verifica la ley de Bragg.

Debido a la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica es posible observar la difracción de partículas como neutrones o electrones. En los inicios de la mecánica cuántica este fue uno de los argumentos más claros a favor de la descripción ondulatoria que realiza la mecánica cuántica de las partículas subatómicas.
Como curiosidad, esta técnica se utilizó para intentar descubrir la estructura del ADN, y fue una de las pruebas experimentales de su estructura de doble hélice propuesta por James Watson y Francis Crick en 1953.


Difracción de ondas

Los fenómenos de interferencia y difracción propios de las ondas mecánicas y del sonido en particular son extensibles también a las ondas electromagnéticas y, por tanto, a la luz. Por la peculiar naturaleza de este tipo de ondas, las interferencias luminosas y la difracción electromagnética tienen un alto interés científico y práctico.


Interferencias luminosas

Las condiciones necesarias para que se produzcan interferencias en las ondas electromagnéticas son las mismas que las explicadas para las ondas mecánicas.

Las ondas que interfieren han de tener la misma frecuencia. Los haces de luz deben ser casi paralelos. En el caso de la luz es casi imposible que haces procedentes de distintas fuentes tengan una misma frecuencia (salvo en la luz láser). Por tanto, para provocar interferencias se utiliza una misma fuente que emite un solo haz. Mediante un dispositivo específico, dicho haz se descompone en varios, que se hacen confluir finalmente en un mismo punto con una cierta diferencia de fase.

Para ello se utilizan dos procedimientos alternativos:

Se obliga a que los dos haces en que se descompone el primer haz recorran caminos de diferente longitud. Se usan superficies reflectantes, ya que la onda reflejada presenta un desfase de 180º con respecto a la incidente, si el segundo medio es más denso que el primero.


Interferencias en láminas delgadas

Los fenómenos de interferencia luminosa se producen de forma espontánea, no inducida, en ciertos sistemas naturales. Algunos ejemplos corrientes son las irisaciones de las pompas de jabón o las manchas de grasa extendidas sobre una superficie humedecida.

Las irisaciones son franjas que se forman por la interferencia de los haces luminosos que se reflejan en las dos superficies de separación (aire-aceite y agua-aceite) de la mancha.

Suponiendo que la luz incide sobre el sistema en direccion casi vertical, y asignando los valores genéricos e al espesor de la mancha y lm a la longitud de onda en su interior, se obtiene que:




Difracción por una rendija

Por el fenómeno de difracción, la luz y las restantes ondas electromagnéticas pueden sortear obstáculos, doblar esquinas o "colarse" por una rendija. Los principios de la difracción electromagnética coinciden con los explicados para las ondas mecánicas (ver t47).

Si en el camino de la luz se interpone una superficie opaca con una rendija, se aprecia que en dicha pantalla aparecen franjas brillantes y oscuras, como en los fenómenos de interferencia descritos por Young. Ello se justifica considerando que la rendija se comporta como una sucesión de numerosas rendijas muy finas que producen este tipo de interferencias.

La distribución de las franjas oscuras en la pantalla se determina mediante la formula:


donde l es la longitud de onda, a la anchura de la rendija y n un numero entero.

La intensidad luminosa de las rendijas es máxima en la zona central de la pantalla y disminuye drásticamente lejos de esta zona. Cuando la longitud de onda coincida con la anchura de la rendija, no existirán franjas oscuras y la rendija actuará como una fuente luminosa.






TERMINOLOGIAS:


Haces coherentes

Se llama coherencia al fenómeno por el cual dos haces de radiación de una misma frecuencia mantienen una relación fija entre sus fases, con lo que la diferencia de fase entre ambas ondas es constante. Esta característica es propia del láser, un término que procede de las iniciales de la expresión inglesa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificación luminosa por emisión de radiación estimulada).


Redes de difracción

Las redes de difracción son elementos de un dispositivo óptico que permiten separar un haz de luz o radiación electromagnética en general en las distintas líneas de su espectro. Se basan en el fenómeno de la difracción para dispersar las distintas longitudes de onda (en la luz, colores) de la onda incidente y obtener líneas separadas espacialmente que componen su distribución espectral. Las redes de difracción, de múltiples aplicaciones científicas e industriales, se distinguen por su elevado poder de resolución espacial.




La sombra nítida

Según los principios de la óptica geométrica, si no existiera difracción, los bordes de las sombras de los objetos serían perfectamente nítidos, por cuanto deberían manifestar la ausencia total de luz en sus puntos. Sin embargo, en la mayoría de las situaciones de la vida cotidiana se aprecia algo de luz en la zona correspondiente a las sombras de los objetos. Esta circunstancia se explica por la capacidad de la luz para bordear los contornos de los obstáculos que se interponen en su trayectoria e inundar, aun parcialmente, la región que debería corresponder a una ausencia absoluta de iluminación.

http://es.wikipedia.org/wiki/Difracci%C3%B3n
www.unirioja.es/dptos/dq/fa/emo/amplia/node1.html


Nombre: Victor Adolfo Vega Flores
Ci: V-18.353.846
Asignatura: CRF

Experimento de Young

Thomas Young

El físico inglés Thomas Young (1773-1829) destacó sobre todo por sus estudios sobre la luz. Sus experimentos impulsaron decisivamente la hipótesis ondulatoria sobre la naturaleza de la luz y permitieron, al mismo tiempo, producir interferencias luminosas basándose en esta hipótesis.




Experimento de Young

El experimento de Young, también denominado experimento de la doble rendija, fue realizado en 1801 por Thomas Young, en un intento de discernir sobre la naturaleza corpuscular u ondulatoria de la luz. Young comprobó un patrón de interferencias en la luz procedente de una fuente lejana al difractarse en el paso por dos rejillas, resultado que contribuyó a la teoría de la naturaleza ondulatoria de la luz.

Posteriormente, la experiencia ha sido considerada fundamental a la hora de demostrar la dualidad onda corpúsculo, una característica de la mecánica cuántica. El experimento también puede realizarse con electrones, átomos o neutrones, produciendo patrones de interferencia similares a los obtenidos cuando se realiza con luz, mostrando, por tanto, el comportamiento dual onda-corpúsculo de la materia.




Relevancia física

Aunque este experimento se presenta habitualmente en el contexto de la mecánica cuántica, fue diseñado mucho antes de la llegada de esta teoría para responder a la pregunta de si la luz tenía una naturaleza corpuscular o si, más bien, consistía en ondas viajando por el éter, análogamente a las ondas sonoras viajando en el aire. La naturaleza corpuscular de la luz se basaba principalmente en los trabajos de Newton. La naturaleza ondulatoria, en los trabajos clásicos de Hooke y Huygens.

Los patrones de interferencia observados restaban crédito a la teoría corpuscular. La teoría ondulatoria se mostró muy robusta hasta los comienzos del siglo XX, cuando nuevos experimentos empezaron a mostrar un comportamiento que sólo podía ser explicado por una naturaleza corpuscular de la luz. De este modo el experimento de la doble rendija y sus múltiples variantes se convirtieron en un experimento clásico por su claridad a la hora de presentar una de las principales características de la mecánica cuántica.

La forma en la que se presenta normalmente el experimento no se realizó sino hasta 1961 utilizando electrones y mostrando la dualidad onda-corpúsculo de las partículas subatómicas (Claus Jönsson, Zeitschrift für Physik, 161, 454; Electron diffraction at multiple slits, American Journal of Physics, 42, 4-11, 1974). En 1974 fue posible realizar el experimento en su forma más ambiciosa, electrón a electrón, comprobando las hipótesis mecanocuánticas predichas por Richard Feynman. Este experimento fue realizado por un grupo italiano liderado por Pier Giorgio Merli y repetido de manera más concluyente en 1989 por un equipo japonés liderado por Akira Tonomura y que trabajaba para la compañía Hitachi. El experimento de la doble rendija electrón a electrón se explica a partir de la interpretación probabilística de la trayectoria seguida por las partículas.



El experimento (Formulación clásica)

La formulación original de Young es muy diferente de la moderna formulación del experimento y utiliza una doble rendija. En el experimento original un estrecho haz de luz, procedente de un pequeño agujero en la entrada de la cámara, es dividido en dos por una tarjeta de una anchura de unos 0.2 mm. La tarjeta se mantiene paralela al haz que penetra horizontalmente es orientado por un simple espejo. El haz de luz tenía una anchura ligeramente superior al ancho de la tarjeta divisoria por lo que cuando ésta se posicionaba correctamente el haz era dividido en dos, cada uno pasando por un lado distinto de la pared divisoria. El resultado puede verse proyectado sobre una pared en una habitación oscurecida. Young realizó el experimento en la misma reunión de la Royal Society mostrando el patrón de interferencias producido demostrando la naturaleza ondulatoria de la luz.

Formulación moderna [editar]La formulación moderna permite mostrar tanto la naturaleza ondulatoria de la luz como la dualidad onda-corpúsculo de la materia. En una cámara oscura se deja entrar un haz de luz por una rendija estrecha. La luz llega a una pared intermedia con dos rendijas. Al otro lado de esta pared hay una pantalla de proyección o una placa fotográfica. Cuando una de las rejillas se cubre aparece un único pico correspondiente a la luz que proviene de la rendija abierta. Sin embargo, cuando ambas están abiertas en lugar de formarse una imagen superposición de las obtenidas con las rendijas abiertas individualmente, tal y como ocurriría si la luz estuviera hecha de partículas, se obtiene una figura de interferencias con rayas oscuras y otras brillantes.

Este patrón de interferencias se explica fácilmente a partir de la interferencia de las ondas de luz al combinarse la luz que procede de dos rendijas, de manera muy similar a como las ondas en la superficie del agua se combinan para crear picos y regiones más planas. En las líneas brillantes la interferencia es de tipo "constructiva". El mayor brillo se debe a la superposición de ondas de luz coincidiendo en fase sobre la superficie de proyección. En las líneas oscuras la interferencia es "destructiva" con prácticamente ausencia de luz a consecuencia de la llegada de ondas de luz de fase opuesta (la cresta de una onda se superpone con el valle de otra).

Acumulación de electrones con el paso del tiempo.


La paradoja del experimento de Young

Esta paradoja trata de un experimento mental, un experimento ficticio no realizable en la práctica, que fue propuesto por Richard Feynman examinando teóricamente los resultados del experimento de Young analizando el movimiento de cada fotón.

Para la década de 1920, numerosos experimentos (como el efecto fotoeléctrico) habían demostrado que la luz interacciona con la materia únicamente en cantidades discretas, en paquetes "cuantizados" o "cuánticos" denominados fotones. Si la fuente de luz pudiera reemplazarse por una fuente capaz de producir fotones individualmente y la pantalla fuera suficientemente sensible para detectar un único fotón, el experimento de Young podría, en principio, producirse con fotones individuales con idéntico resultado.

Si una de las rendijas se cubre, los fotones individuales irían acumulándose sobre la pantalla en el tiempo creando un patrón con un único pico. Sin embargo, si ambas rendijas están abiertas los patrones de fotones incidiendo sobre la pantalla se convierten de nuevo en un patrón de líneas brillantes y oscuras. Este resultado parece confirmar y contradecir la teoría ondulatoria de la luz. Por un lado el patrón de interferencias confirma que la luz se comporta como una onda incluso si se envían partículas de una en una. Por otro lado, cada vez que un fotón de una cierta energía pasa por una de las rendijas el detector de la pantalla detecta la llegada de la misma cantidad de energía. Dado que los fotones se emiten uno a uno no pueden interferir globalmente así que no es fácil entender el origen de la "interferencia".

La teoría cuántica resuelve estos problemas postulando ondas de probabilidad que determinan la probabilidad de encontrar una partícula en un punto determinado, estas ondas de probabilidad interfieren entre sí como cualquier otra onda.

Un experimento más refinado consiste en disponer un detector en cada una de las dos rendijas para determinar por qué rendija pasa cada fotón antes de llegar a la pantalla. Sin embargo, cuando el experimento se dispone de esta manera las franjas desaparecen debido a la naturaleza indeterminista de la mecánica cuántica y al colapso de la función de onda.


http://es.wikipedia.org/wiki/Experimento_de_Young


Nombre: Victor Adolfo Vega Flores
Ci: V-18.353.846
Asignatura: CRF

Surface Diffraction and the Reciprocal Lattice

The diffraction of either photons or electrons (sometimes neutrons) is one of the most powerful techniques for surface structure determination. Unfortunately, the diffraction pattern is not a direct representation of the real-space arrangement of the atoms in a solid or on a surface. The most convenient way to link the real structure of the material to it's diffraction pattern is through the reciprocal lattice.

In order for measureable diffraction to occur, the wavelength of the interrogating wave-particle should be on the same order as the periodicity of the features. For atoms or molecules in a crystalline solid, this periodicity is a few Angstroms. This means that if we are using photons to examine the lattice spacing of a solid, their wavelength should be a few Angstroms (x-rays). Consider a 5 keV photon:



Now consider a similar calculation for the de Broglie wavelength of a 20 eV electron:


So electrons of a few tens of eV and x-rays of a few keV are suitable for diffraction from an atomic lattice. These energy particles are more strongly backscattered from a solid towards the source than transmitted. In the case of x-rays the technique is often called Laue or von Laue Backscatter Diffraction and in the case of electrons the technique is called low energy electron diffraction (LEED).
The angle of diffraction of the wave-particle is governed by the Bragg equation. Constructive interference between two out-going waves only occurs if the pathlength difference between them is equal to an intergral number of wavelengths. For this to occur, the Bragg equation

must be satisfied.



There are three important features of the Bragg equation worth noting

(A) Sin[theta] is proportional to 1/d, which implies a large atomic spacing will produce a small diffraction angle and a small atomic spacing will produce a large diffraction angle. This already gives us a hint about a reciprocal relationship between the real arrangement and the diffraction pattern.

(B) Sin[theta] is proportional to 1/(eV)1/2, which implies the size of the diffraction pattern will vary with incident wave-particle energy. The diffraction angle becomes smaller with increasing incident energy.

(C) Diffraction has same probability for n=1 and n=-1, which implies the diffraction pattern should possess some sort of symmetry.

In fact, for two isolated atoms, the diffraction intensity varies smoothly between zero when pathlength=(n+1/2)[lambda] and a maximum when pathlength=n[lambda]. For many atoms, all with the same separation, the diffraction intensity is almost zero at all angles except when very close to the pathlength being equal to an integral number of wavelengths.

It is possible to think of surface diffraction in terms of rows of atoms and draw a qualitative picture of the diffraction pattern merely by considering the spacing of these rows. We can pick any pair of rows at any angle and measure the distance between them. Remebering note (A) above, we can deduce that the row spacing in the diffraction pattern will be 1/(real space distance) as shown below. But this method is cumbersome and it is easy to get confused when drawing the pattern.


An alternate (and much used) idea is to make use of a reciprocal lattice which is directly related to the diffraction pattern.


Reciprocal Lattices

The real space surface lattice (net) can be defined by two lattice vectors a1 and a2. These vectors may be chosen in any arbitrary direction but it is usual to pick conventional lattice vectors which are often obvious from the symmetry of the lattice. These conventional lattice vectors are chosen so that a1 and a2 are arranged in an anti-clockwise fashion (see below) and if they are not the same magnitude, a2 labels the largest vector. This should create a unique set of vectors.


In the same way, we can define reciprocal lattice vectors which we will use to generate the reciprocal lattice. These are given the symbols a'1 and a'2 for the surface and b'1 and b'2 for any adsorbate structure.


But which way do the reciprocal vectors point and how long are they? The rules for determining the magnitude and direction of the reciprocal lattice vectors are

and


Remember that in vector algebra, dot product means "the magnitude of x multiplied by the magnitude of y multiplied by the cosine of the angle between them." In effect the two rules can be stated



For example, when a=0' (ie when a1 and a'1 are parallel)


and the reciprocal relationship between the real and reciprocal lattice vectors becomes obvious.
Note: Physicists often use a value of 2[pi] instead of 1 in the relationships above but we won't.


These ideas can be applied to create the reciprocal lattices of the square real space lattices below. If we knew the length of a1 in term of Angstroms, we could calculate the length of a'1 in terms of reciprocal Angstroms.

FCC(100):



In this case, the real and reciprocal lattices look very similar.
FCC(110):


Now, the reciprocal lattice looks like the real one but rotated by 90 degrees!

It is important to note that

•a1 and a2 perpendicular
•a1 and a'2 perpendicular
•a1 and a'1 parallel
•Since [alpha]=0', Cos[alpha]=1 and a'1=1/a1

Things become a little more complicated when dealing with a non-square real lattice but the same rules can be applied to create the reciprcal lattice as shown below.
FCC(111):



and once more, the real and reciprocal lattices have the same symmetry. This time


• a1 and a2 not perpendicular
• but a1 and a'2 perpendicular
• and a2 and a'1 perpendicular
• but a1 and a'1 not parallel
• Since [alpha]=30', Cos[alpha]=(3)^1/2 / 2



The diffraction pattern is just a scaled version of the reciprocal lattice!

The same rules can be applied when dealing with an adsorbate on a surface. The diffraction pattern will now be composed of two parts: one due to adsorbate lattice diffraction and one due to substrate lattice diffraction.



It is important to note that this method tells us nothing about the intensity of the diffraction spots although we might reasonably assume that the adsorbate spots will be weaker than the substrate spots. Much more sophisticated theories (multiple scattering theories) are needed to account for the diffraction spot intensities.


The reciprocal lattice approach is a very useful way to determine the diffraction pattern. If the dimensions of the diffractometer and the wavelength or energy of the incident wave-particles are known, the diffraction pattern can be "backconverted" into the real space arrangement. Historically, LEED has been the primary method for determining adsorbate and surface structures.


http://www.cem.msu.edu/~cem924sg/Reciprocal.html


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