Войти
Дифракция нейтронов или упругое рассеяние нейтронов - это применение рассеяния нейтронов для определения атомной и / или магнитной структуры материала. Исследуемый образец помещают в пучок тепловых или холодных нейтронов для получения дифракционной картины, которая предоставляет информацию о структуре материала. Этот метод аналогичен дифракции рентгеновских лучей, но из-за их различных свойств рассеяния нейтроны и рентгеновские лучи предоставляют дополнительную информацию: рентгеновские лучи подходят для При поверхностном анализе сильные рентгеновские лучи синхротронного излучения подходят для небольших глубин или тонких образцов, а нейтроны с большой глубиной проникновения подходят для массивных образцов.
Для этого метода требуется источник нейтронов. Нейтроны обычно производятся в ядерном реакторе или источнике расщепления. В исследовательском реакторе необходимы другие компоненты, включая кристалл-монохроматор , а также фильтры для выбора желаемой длины волны нейтронов. Некоторые части установки также могут быть подвижными. В источнике расщепления метод времени пролета используется для сортировки энергий падающих нейтронов (нейтроны с более высокой энергией быстрее), поэтому не требуется монохроматор, а скорее набор апертурных элементов, синхронизированных для фильтрации нейтронных импульсов с желаемой длиной волны..
Метод чаще всего выполняется как порошковая дифракция, для которой требуется только поликристаллический порошок. Работа с монокристаллом также возможна, но кристаллы должны быть намного больше, чем те, которые используются в монокристаллической рентгеновской кристаллографии. Обычно используются кристаллы размером около 1 мм.
Подводя итог, можно сказать, что основным недостатком дифракции нейтронов является потребность в ядерном реакторе. Для работы с монокристаллами метод требует относительно больших кристаллов, которые обычно сложно выращивать. У метода много преимуществ - чувствительность к легким атомам, способность различать изотопы, отсутствие радиационных повреждений, а также глубина проникновения в несколько см
Как все квантовые частицы, нейтроны могут проявлять волновые явления, обычно связанные со светом или звуком. Дифракция - одно из таких явлений; это происходит, когда волны сталкиваются с препятствиями, размер которых сравним с длиной волны . Если длина волны квантовой частицы достаточно мала, атомы или их ядра могут служить дифракционными препятствиями. Когда пучок нейтронов, исходящий из реактора, замедляется и выбирается должным образом по их скорости, их длина волны находится около одного ангстрема (0,1 нанометра ), что является типичным разделением между атомами в твердом материале.. Такой луч затем можно использовать для проведения дифракционного эксперимента. Столкнувшись с кристаллическим образцом, он будет рассеиваться под ограниченным числом четко определенных углов в соответствии с тем же законом Брэгга, который описывает дифракцию рентгеновских лучей.
Нейтроны и рентгеновские лучи по-разному взаимодействуют с веществом. Рентгеновские лучи взаимодействуют в первую очередь с электронным облаком, окружающим каждый атом. Следовательно, вклад в интенсивность дифрагированного рентгеновского излучения больше для атомов с большим атомным номером (Z). С другой стороны, нейтроны взаимодействуют непосредственно с ядром атома, и вклад в дифрагированную интенсивность зависит от каждого изотопа ; например, обычный водород и дейтерий вносят разный вклад. Также часто бывает, что легкие (с низким Z) атомы сильно влияют на дифрагированную интенсивность даже в присутствии больших Z-атомов. Длина рассеяния изменяется от изотопа к изотопу, а не линейно с атомным номером. Такой элемент, как ванадий, сильно рассеивает рентгеновские лучи, но его ядра практически не рассеивают нейтроны, поэтому его часто используют в качестве материала контейнера. Немагнитная нейтронная дифракция напрямую зависит от положения ядер атомов.
Ядра атомов, от которых разлетаются нейтроны, крошечные. Кроме того, нет необходимости в атомном форм-факторе для описания формы электронного облака атома, и рассеивающая способность атома не падает с углом рассеяния, как это происходит для рентгеновских лучей.. Дифрактограммы, следовательно, могут показывать сильные, четко определенные дифракционные пики даже под большими углами, особенно если эксперимент проводится при низких температурах. Многие нейтронные источники оснащены системами охлаждения с жидким гелием, которые позволяют собирать данные при температурах до 4,2 К. Информация с превосходных углов (то есть высокого разрешения) означает, что положения атомов в структуре могут быть определены с высокой точностью. С другой стороны, карты Фурье (и в меньшей степени), полученные из нейтронных данных, страдают от ошибок завершения серии, иногда настолько больших, что результаты не имеют смысла.
Хотя нейтроны не заряжены, они несут магнитный момент и, следовательно, взаимодействуют с магнитными моментами, в том числе возникающими из электронного облака вокруг атома. Таким образом, нейтронная дифракция может выявить микроскопическую магнитную структуру материала.
Магнитное рассеяние действительно требует атомного форм-фактора, поскольку оно вызвано гораздо большим электронным облаком вокруг крошечное ядро. Следовательно, интенсивность магнитного вклада в дифракционные пики будет уменьшаться в сторону больших углов.
Дифракция нейтронов может использоваться для определения статического структурного фактора газов, жидкостей или аморфные твердые вещества. Однако большинство экспериментов нацелено на структуру кристаллических твердых тел, что делает нейтронную дифракцию важным инструментом кристаллографии.
Дифракция нейтронов тесно связана с дифракцией рентгеновских лучей на порошке. Фактически, монокристаллический вариант метода используется реже, потому что доступные в настоящее время источники нейтронов требуют относительно больших образцов, а большие монокристаллы трудно или невозможно найти для большинства материалов. Однако дальнейшие события вполне могут изменить эту картину. Поскольку данные обычно представляют собой одномерную порошковую дифрактограмму, они обычно обрабатываются с использованием уточнения Ритвельда. Фактически, последний был основан на дифракции нейтронов (в Петтене в Нидерландах) и позже был расширен для использования в дифракции рентгеновских лучей.
Одно практическое применение упругого рассеяния / дифракции нейтронов состоит в том, что постоянная решетки металлов и других кристаллических материалов может быть очень точно измерена. Вместе с точно выровненным микропозиционером можно составить карту постоянной решетки металла. Это можно легко преобразовать в поле напряжения, испытываемое материалом. Это было использовано для анализа напряжений в компонентах аэрокосмической и автомобильной, чтобы привести только два примера. Большая глубина проникновения позволяет измерять остаточные напряжения в таких объемных деталях, как коленчатые валы, поршни, рельсы, шестерни. Этот метод привел к разработке специализированных дифрактометров напряжения, таких как прибор ENGIN-X на источнике нейтронов ISIS..
Нейтронная дифракция также может быть использована для понимания трехмерной структуры любого объекта. материал, который дифрагирует.
Другое применение - определение сольватационного числа ионных пар в растворах электролитов.
Эффект магнитного рассеяния использовался с момента создания метода нейтронной дифракции для количественной оценки магнитных моментов в материалах и изучения ориентации и структуры магнитного диполя. Одним из первых применений дифракции нейтронов было изучение ориентации магнитных диполей в антиферромагнитных оксидах переходных металлов, таких как оксиды марганца, железа, никеля и кобальта. Эти эксперименты, впервые выполненные Клиффордом Шуллом, впервые показали существование антиферромагнитного расположения магнитных диполей в структуре материала. В настоящее время дифракция нейтронов продолжает использоваться для характеристики недавно разработанных магнитных материалов.
Дифракцию нейтронов можно использовать для установления структуры материалов с низким атомным номером, таких как белки и поверхностно-активные вещества, гораздо проще с меньшим потоком, чем у источника синхротронного излучения. Это связано с тем, что некоторые материалы с низким атомным номером имеют более высокое сечение взаимодействия нейтронов, чем материалы с более высоким атомным весом.
Одним из основных преимуществ дифракции нейтронов перед дифракцией рентгеновских лучей является то, что последняя довольно нечувствительна к присутствию водорода (H) в структуре, тогда как ядра H и H (т.е. Дейтерий, D) - сильные рассеиватели нейтронов. Большая рассеивающая способность протонов и дейтронов означает, что положение водорода в кристалле и его тепловые движения могут быть определены с большей точностью с помощью дифракции нейтронов. Структуры металлогидридных комплексов, например, Mg2FeH 6, были оценены методом дифракции нейтронов.
Длины рассеяния нейтронов b H = -3,7406 (11) fm и b D = 6,671 (4) fm для H и D соответственно имеют противоположный знак, что позволяет методике их различать. На самом деле существует определенное соотношение изотопов , при котором вклад элемента компенсируется, это называется рассеянием нулей.
Нежелательно работать с относительно высокой концентрацией H в образце. Интенсивность рассеяния на H-ядрах имеет большую неупругую составляющую, которая создает большой непрерывный фон, более или менее независимый от угла рассеяния. Упругий узор обычно состоит из резких брэгговских отражений, если образец кристаллический. Они имеют свойство тонуть в неэластичном фоне. Это еще более серьезно, когда этот метод используется для изучения структуры жидкости. Тем не менее, приготовив образцы с различным соотношением изотопов, можно изменить контраст рассеяния достаточно, чтобы выделить один элемент в сложной структуре. Возможно изменение других элементов, но обычно довольно дорого. Водород недорог и особенно интересен, потому что он играет исключительно большую роль в биохимических структурах и его трудно изучать структурно другими способами.
Первые эксперименты по дифракции нейтронов были проведены в 1945 г. Эрнестом О. Волланом с использованием графитового реактора в Ок-Ридже. Вскоре после этого (июнь 1946 г.) к нему присоединился Клиффорд Шул, и вместе они установили основные принципы этой техники и успешно применили ее ко многим различным материалам, решая такие проблемы, как структура льда и устройства микроскопов. магнитных моментов в материалах. За это достижение Шуллю была присуждена половина Нобелевской премии по физике 1994 . (Воллан умер в 1984 году). (Другая половина Нобелевской премии по физике 1994 г. досталась Берту Брокхаусу за разработку метода неупругого рассеяния на установке Чок-Ривер в AECL. связано изобретение трехосного спектрометра). Промедление между достигнутой работой (1946 г.) и Нобелевской премией, присужденной Брокхаусу и Шуллу (1994), приближает их к задержке между изобретением Эрнстом Руска электронного микроскопа (1933) - также в в области оптики частиц - и его собственная Нобелевская премия (1986). Это, в свою очередь, близко к рекорду за 55 лет между открытиями Пейтона Роуза и присуждением ему Нобелевской премии в 1966 году.
