Como vimos anteriormente, la incidencia de las radiaciones electromagnéticas, que poseen longitudes de onda próximos al valor de las distancias interatómicas, sobre un cristal cualquiera produce diagramas de difracción, de los cuales es posible obtener informaciones precisas sobre la posición de los átomos en un cristal. Si recordamos de la relación de De Broglie que para cada partícula que se mueve con cierta velocidad, esta es asociada a una longitud de onda, podemos imaginar también que estas partículas producirán diagramas de difracción. Experimentalmente este hecho fue confirmado por J. P. Thomson, hijo de J. J. Thomson, y por A. Reid que consiguieron diagramas de la difracción de electrones a través de una lámina de oro. Una curiosidad sobre estos experimentos es que J. J. Thomson ganó el premio Nobel por mostrar que el electrón presentaba características de partícula y J. P. Thomson también ganó por mostrar que el electrón presentaba características ondulatórias.

Con la demostración de que las partículas aceleradas pueden producir diagramas de difracción, se inició el estudio de las estructuras moleculares de la misma manera que con los rayos-X. Las partículas naturalmente usadas generaron las técnicas de difracción de neutrones y de electrones. En esta etapa comentaremos algunas características del método de difracción de neutrones.

La primera característica de este método es que los neutrones que presentan longitudes de onda próximos de 1Å deben poseer velocidades de 4000 m.s-1 aproximadamente. Para tener idea de la magnitud de esta velocidad, podemos decir que la velocidad de una molécula de hidrógeno gaseoso a 250oC es de 1768 m.s-1. La fuente normalmente utilizada para producir neutrones con esas velocidades son los reactores nucleares. Una vez que los reactores expelen los neutrones con velocidades diferentes, una forma adecuada de producir una distribución gaussiana de velocidades es hacer pasar el haz de neutrones a través de una sustancia denominada moderador. Uno de los más comunes es el grafito.

Pero, ¿por qué es interesante homogenizar la velocidad de los neutrones? Porque cuanto más estrecho fuera el rango de velocidad, más estrecho será el rango de intensidades. Habiendo controlado la velocidad del haz de neutrones podremos producir diagramas de difracción del tipo Laue.

Sin embargo, ocurria un problema en la etapa de detección de los neutrones. Originalmente se hacia la detección a través de placas fotográficas, lo que era un factor limitante en el uso del método, porque los neutrones no producen respuestas bien definidas en estas placas fotográficas. Actualmente, una serie de contadores baseados en reacciones nucleares suprimió esta dificultad. Básicamente, se busca hacer colisionar el neutrón con algún átomo y esta interacción liberará radiación gama o protones o aún otra partícula cargada, que serán facilmente detectadas por cámaras de ionización.

Una de las desventajas es que el detector necesita de una fuente suficientemente intensa para producir buenos diagramas de difracción, lo que limita la técnica a algunos laboratórios en el mundo.

Las ventajas de esta técnica respecto a los rayos-X es que la misma permite, diferente de los rayos-X, detectar con excelente precisión la posición de los átomos ligeros como el hidrógeno y deutério. Otra gran ventaja es que esta técnica es la única que permite obtener cualquier información sobre la característica magnética de sólidos.

La gran diferencia entre el rayo-X y la difracción de neutrones es que el primero interacciona con los electrones de los átomos, mientras que los neutrones interaccionan directamente con los núcleos. De esta interacción directa con los núcleos pueden ocurrir tres tipos de dispersión:

- elástica;
- magnética;
- inelástica.

El primer tipo de dispersión es el más simple. Los neutrones colisionan con los núcleos y son dispersados sin cualquier alteración significativa de intensidad o velocidad con el ángulo de deflección. Como los núcleos atómicos presentan ondas de 1 Å aproximadamente, no notamos cualquier efecto de interferencia debido a las diferentes partes del núcleo.

El poder dispersante de los neutrones por los elementos químicos es bastante diferente respecto del rayo-X. En este último, cuanto más grande es el número de electrones en un átomo, mayor será su poder de dispersión. Con los neutrones ya no ocurre la misma cosa. Se puede demostrar que la amplitud b de un haz de neutrones dispersados es proporcional a la raiz cúbica del número de masa del núcleo atómico. De esta manera, podemos ver que el poder dispersante de los neutrones aumentará muy despacio al pasar de núcleos ligeros para pesados. Un ejemplo de este efecto puede verificarse fácilmente para dos elementos con números de masa 10 y 200. Los valores de b son 0,33x10-12 y 0,90x10-12 respectivamente. La proporción entre estos valores nos dará un valor de 2.7, que comparado con casi 18 obtenido con rayos-X, nos harán creer que el poder dispersante de la difracción de neutrones es prácticamente constante (ver Figura 13). Esta propiedad es la que determina una visualización excelente de los átomos ligeros como el hidrógeno. Un ejemplo de esto puede apreciarse en la Figura 11 b.

Con relación al segundo tipo de dispersión, la dispersión magnética, podemos decir que los neutrones por no presentar carga, no deben ser considerados como esferas inertes. Los neutrones, asi como los electrones y protones, presentan un movimiento de rotación própio (spin), generando un momento magnético sobre este. De esta manera, si un átomo posee uno o más electrones con spins desenparejados, éstos tendrán un momento magnético que asociado con el momento magnético del núcleo atómico interaccionarán con el momento magnético del neutrón que será dispersado. Esta dispersión magnética es una función del ángulo de dispersión, de la longitud de onda del haz de neutrones y del ángulo entre los momentos magnéticos.

Si el momento magnético de los neutrones incidentes o aquellos de los átomos estuvieran orientados aleatoriamente, la contribuición a la dispersión magnética no causará confusión en el difractograma de los neutrones dispersados elasticamente, porque podremos distinguir los dos casos por causa de la dependencia angular de la dispersión magnética. Si utilizamos un haz de neutrones polarizados, podremos obtener informaciones sobre la estructura magnética de los cristales. Por ejemplo, La Figura 14 exibe una representación simplificada de la estructura magnética de un compuesto de cromo. Si usamos los rayos-X o la difracción elástica de neutrones, apenas observariamos que tal compuesto es cúbico de cuerpo centrado. Si utilizamos neutrones polarizados conseguiremos distinguir los dos tipos de sistemas magnéticos.

Finalmente, en los casos anteriores observamos que el método de difracción de neutrones permitió obtener detalles de las unidades tridimensionales de partículas en un cristal a través del análisis de los difractogramas, presentando como característica la inalteración de la energia de los neutrones, como si es el caso de la dispersión elástica y magnética. Sin embargo, es posible que los neutrones al colisionar con los núcleos presenten dispersiones en que ocurra alguna transferencia parcial de energia, resultando en lo que se denomina de dispersión inelástica. Esta pérdida o ganancia de energia de los neutrones ocurre a través de la variación de las energias vibracionales del cristal analizado. Los cálculos indican que la magnitud de un cuanto de energia suficiente para alterar los movimientos vibracionales en un cristal, presenta el mismo orden de energia que tienen los neutrones incidentes. Entonces, midiéndose las energias iniciales y finales de los neutrones, puede deducirse la energia de las vibraciones de los cristales. Este efecto no es posible de ser observado con los rayos-X, porque éstos presentan una energia 100.000 veces mayor que los neutrones y por consiguiente, cualquier dispersión será despreciada.

Con los neutrones, no se mide unicamente la transferencia de energia al cristal, sino también, se determina el impulso y el sentido del movimiento del fóton producido.

Como podemos observar, la aplicación del método de difracción de neutrones ofrece una serie de informaciones que no están disponibles a través de otras técnicas. Probablemente el gran factor que limita su aplicación, como ya fue mencionado anteriormente, es el hecho de que estas medidas están vinculadas a reactores nucleares. Lo que es una limitación extremamente difícil de ser superada.