equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////





Em física de partículasmecânica ondulatória e ópticatransferência de momento é a quantidade de momento transferido entre partículas durante uma interação.

No exemplo mais simples do espalhamento de duas partículas, durante uma colisão, com momentos iniciais que resultam nos momentos finais , a força de transferência é dada por

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

onde a igualdade entre a diferença do momento inicial e final de cada partícula provém da conservação de momento. A transferência de momento é uma quantidade importante porque  é uma medida melhor para a resolução da distância típica de uma reação do que os momentos por si só.

Mecânica ondulatória e óptica

Uma onda tem uma momento , sendo uma quantidade vetorial. A diferença do momento da onda espalhada para a onda incidente é chamado de transferência de momento. O número de onda k é o absoluto do vetor de onda , e está relacionado com o comprimento de onda . Muitas vezes, a transferência de momento é dada em unidades de número de onda no comprimento recíproco 

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


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Em física do estado sólido, a Lei de Bragg está relacionada ao espalhamento de ondas que incidem em um cristal e fornece uma explicação para os efeitos difrativos observados nesta 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 dessas cargas re-irradia ondas que têm aproximadamente a mesma frequência, uma vez que 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 da radiação 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.

História

Representação esquemática da estrutura cristalina do cloreto de sódio.

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]. Tanto os nêutrons quanto os raios X possuem comprimento de onda compatível com as distâncias interatômicas - da ordem de 150 pm - e, portanto, constituem uma excelente ferramenta para se explorar dimensões com essa ordem de grandeza.

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 desse mesmo ano 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 cloreto de sódio, o sulfeto de zinco e o 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 Real das Ciências da Suécia.

Condição de Bragg

Modelo de Bragg em duas dimensões
Modelo de Bragg em duas dimensões: A diferença de caminho óptico entre os dois raios é , onde  é a distância entre os planos considerados e , o ângulo de incidência.

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 dado por:

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 .

Nessa expressão,  é o momento linear da partícula.

A próxima equação é conhecida como Lei de Bragg. Para que haja uma diferença de fase entre dois raios igual a  radianos, é necessária a condição

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

onde  é um número natural 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 da onda refletida. Como cada plano reflete de  a  do total da radiação incidente, há 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 podem ser observados picos localizados nos ângulos em que a condição de Bragg é satisfeita[3].

Densidade eletrônica

Análise de Fourier

Para melhor compreender o comportamento da onda espalhada, pode ser tomado 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:

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 .

Nessa expressão 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]

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 .

Essa periodicidade permite que se faça uma expansão da densidade eletrônica  em série de Fourier. Considerando primeiro apenas uma componente dimensional, vem:

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 .

Nessa expressão  e  são constantes reais e . É imediato que

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 .

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:

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

Com essa notação, a expansão pode ser escrita como

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 .

Nessa expressão o somatório percorre todos os valores inteiros de p. O termo  agora é, em geral, um número complexo e, portanto, é necessário impor uma condição que faça com que  seja uma função real como originalmente. A condição

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

faz com que

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 ,

que é uma função real.

Estender o argumento para três dimensões é algo direto:

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 .

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, é necessário encontrar um conjunto de vetores  que satisfaçam a relação de invariância por translação .

Tendo a expressão para a expansão de Fourier para densidade eletrônica, é possível obter os coeficientes da expansão em uma dimensão por meio de

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 .

Substituindo a expressão expandida para  na integral acima, vem:

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 .

O caso  faz com que o valor da integral seja

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 ,

pois  é um inteiro e . No caso , de maneira que o valor da integral é  e . De maneira semelhante, pode ser invertido o caso tridimensional, obtendo

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 .

Nesse caso 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

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////


 ,

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 :

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

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

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////

 .

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:

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////


 .

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

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////


 ,

de maneira que a expressão anterior se torna

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////


.

Introduzimos agora a expansão em série de Fourier para  nessa expressão para obter

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////



 .

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,

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////


.

ou ainda

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////


 .

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

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////


 .

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

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////


 .

Combinando a definição de ,



onde  é o comprimento de onda incidente, com a definição de produto escalar e do módulo de , temos:

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////


 ,

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


Modelo de Bragg em duas dimensões, relação entre os ângulos de incidência em relação ao plano cristalino e ao vetor -G, para obtenção da formulação usual da lei de Bragg
Modelo de Bragg em duas dimensões: Relação entre os ângulos de incidência e de espalhamento tomando como referência o plano cristalino e a vetor  para obtenção da formulação usual da lei de Bragg. Pela condição de reflexão especular, é possível deduzir que o ângulo entre os vetores de onda incidente e refletido é de 




ou rearranjando os fatores:

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////


 .

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

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////




Assim, recuperamos o resultado obtido pela análise geométrica simples, escrito à maneira usual da formulação da lei de Bragg:

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////


 .

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

equação Graceli dimensional relativista  tensorial quântica de campos 


[  /  IFF ]   G* =   /  G  /     .  /

 G  = [DR] =            .+  

+  G* =  = [          ] ω   / T] / c [    [x,t] ]  =  


//////




dá a condição de difração de Bragg para um plano de índices de Miller .


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