.jpg/1280px-Neutron_diffraction;_Ion_channels_(5888008521).jpg)
Дифракция нейтронов или упругое рассеяние нейтронов — это применение рассеяния нейтронов для определения атомной и/или магнитной структуры материала. Исследуемый образец помещается в пучок тепловых или холодных нейтронов для получения дифракционной картины, дающей информацию о структуре материала. Этот метод аналогичен дифракции рентгеновских лучей , но из-за различных свойств рассеяния нейтроны и рентгеновские лучи предоставляют дополнительную информацию: рентгеновские лучи подходят для поверхностного анализа, сильные рентгеновские лучи синхротронного излучения подходят для небольших глубин или тонких образцов. , а нейтроны с большой глубиной проникновения подходят для объемных образцов. [1]
Для этого метода необходим источник нейтронов. Нейтроны обычно производятся в ядерном реакторе или источнике расщепления . В исследовательском реакторе необходимы и другие компоненты, в том числе кристаллический монохроматор (в случае тепловых нейтронов), а также фильтры для выбора нужной длины волны нейтронов. Некоторые части установки также могут быть подвижными. Для длинноволновых нейтронов нельзя использовать кристаллы, вместо этого в качестве дифракционных оптических компонентов используются решетки. [2] В источнике расщепления для сортировки энергий падающих нейтронов используется метод времени пролета (нейтроны с более высокой энергией быстрее), поэтому не требуется монохроматор, а скорее серия апертурных элементов, синхронизированных для фильтрации нейтронных импульсов с желаемую длину волны.
Этот метод чаще всего выполняется как порошковая дифракция , для которой требуется только поликристаллический порошок. Работа с монокристаллами также возможна, но кристаллы должны быть намного крупнее тех, которые используются в монокристаллической рентгеновской кристаллографии . Обычно используют кристаллы размером около 1 мм 3 . [3]
Для этого метода также требуется устройство, способное обнаруживать нейтроны после их рассеяния.
Подводя итог, можно сказать, что основным недостатком нейтронной дифракции является необходимость наличия ядерного реактора. Для работы с монокристаллами этот метод требует относительно больших кристаллов, вырастить которые обычно сложно. Преимуществ у метода много - чувствительность к легким атомам, способность различать изотопы, отсутствие радиационных повреждений [3] , а также глубина проникновения в несколько см [1].
Как и все квантовые частицы , нейтроны могут проявлять волновые явления, обычно связанные со светом или звуком. Дифракция - одно из таких явлений; оно возникает, когда волны сталкиваются с препятствиями, размер которых сравним с длиной волны . Если длина волны квантовой частицы достаточно коротка, атомы или их ядра могут служить дифракционными препятствиями. Когда пучок нейтронов, исходящий из реактора, замедляется и правильно выбирается по скорости, их длина волны лежит около одного ангстрема (0,1 нанометра ), типичного расстояния между атомами в твердом материале. Такой луч затем можно использовать для проведения дифракционного эксперимента. Ударяясь о кристаллический образец, он рассеивается 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. Поэтому вклад в интенсивность дифрагированного рентгеновского излучения больше для атомов с большим атомным номером (Z) . С другой стороны, нейтроны непосредственно взаимодействуют 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 атомы (с низким Z) вносят большой вклад в дифрагированную интенсивность даже в присутствии больших атомов Z. Длина рассеяния варьируется от изотопа к изотопу, а не линейно в зависимости от атомного номера. Такой элемент, как ванадий , сильно рассеивает рентгеновские лучи, но его ядра почти не рассеивают нейтроны, поэтому его часто используют в качестве материала контейнера. Немагнитная дифракция нейтронов непосредственно чувствительна к положениям ядер атомов.
Ядра атомов, от которых рассеиваются нейтроны, крошечные. Более 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 в рентгеновских лучах. Таким образом, дифрактограммы могут показывать сильные, четко выраженные дифракционные пики даже под большими углами, особенно если эксперимент проводится при низких температурах. Многие нейтронные источники оснащены системами охлаждения жидким гелием, которые позволяют собирать данные при температурах до 4,2 К. Превосходная информация под большим углом (т.е. с высоким разрешением ) означает, что положения атомов в структуре могут быть определены с высокой точностью. С другой стороны, карты Фурье (и в меньшей степени разностные карты Фурье), полученные на основе нейтронных данных, страдают от ошибок завершения ряда, иногда настолько больших, что результаты бессмысленны.
Хотя нейтроны и не заряжены, они несут магнитный момент , а потому взаимодействуют с магнитными моментами, в том числе возникающими из электронного облака вокруг атома. Таким образом, нейтронная дифракция может выявить микроскопическую магнитную структуру материала. [4]
Магнитное рассеяние действительно требует атомного форм-фактора , поскольку оно вызвано гораздо большим электронным облаком вокруг крошечного ядра. Поэтому интенсивность магнитного вклада в дифракционные пики будет уменьшаться в сторону больших углов.
Нейтронографию можно использовать для определения статического структурного фактора газов , жидкостей или аморфных твердых тел . Однако большинство экспериментов направлено на изучение структуры кристаллических твердых тел, что делает дифракцию нейтронов важным инструментом кристаллографии .
Нейтронная дифракция тесно связана с порошковой рентгеновской дифракцией . [5] Фактически, монокристаллическая версия метода используется реже, поскольку доступные в настоящее время источники нейтронов требуют относительно больших образцов, а большие монокристаллы трудно или невозможно получить для большинства материалов. Однако будущие события вполне могут изменить эту картину. Поскольку данные обычно представляют собой одномерную порошковую дифрактограмму, они обычно обрабатываются с использованием уточнения Ритвельда . Фактически последний возник в результате дифракции нейтронов (в Петтене в Нидерландах), а позже был расширен для использования в дифракции рентгеновских лучей.
Одним из практических применений упругого рассеяния/дифракции нейтронов является возможность очень точного измерения постоянной решетки металлов и других кристаллических материалов. С помощью точно выровненного микропозиционера можно получить карту постоянной решетки металла. Это можно легко преобразовать в поле напряжений , испытываемое материалом. [1] Это использовалось для анализа напряжений в компонентах аэрокосмической и автомобильной промышленности , и это всего лишь два примера. Большая глубина проникновения позволяет измерять остаточные напряжения в объемных деталях, таких как коленчатые валы, поршни, рельсы, шестерни. Этот метод привел к разработке специализированных стресс-дифрактометров, таких как прибор ENGIN-X на источнике нейтронов ISIS .
Дифракция нейтронов также может быть использована для понимания трехмерной структуры любого дифрагирующего материала. [6] [7]
Другое применение - определение числа сольватации ионных пар в растворах электролитов.
Эффект магнитного рассеяния использовался с момента создания метода дифракции нейтронов для количественного определения магнитных моментов в материалах и изучения ориентации и структуры магнитных диполей. Одним из первых применений нейтронной дифракции было изучение ориентации магнитных диполей в оксидах антиферромагнитных переходных металлов, таких как оксиды марганца, железа, никеля и кобальта. Эти эксперименты, впервые выполненные Клиффордом Шуллом, были первыми, кто показал существование антиферромагнитного расположения магнитных диполей в структуре материала. [8] Сейчас дифракция нейтронов продолжает использоваться для характеристики новых магнитных материалов.
Нейтронную дифракцию можно использовать для установления структуры материалов с низким атомным номером, таких как белки и поверхностно-активные вещества, гораздо легче при меньшем потоке, чем при использовании 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 последний довольно нечувствителен к присутствию водорода (H) в структуре, тогда как ядра 1 H и 2 H (т. е. дейтерий , D) являются сильными рассеивателями нейтронов. Большая рассеивающая способность протонов и дейтронов означает, что положение водорода в кристалле и его тепловые движения можно с большей точностью определить с помощью дифракции нейтронов. Методом нейтронографии оценено строение металлогидридных комплексов , например Mg 2 FeH 6 . [9]
Длины рассеяния нейтронов b H = −3,7406(11) Фм [10] и b D = 6,671(4) Фм [10] для H и D соответственно имеют противоположный знак, что позволяет методике их различать. Фактически существует определенное соотношение изотопов , при котором вклад элемента будет компенсироваться, это называется нулевым рассеянием.
Нежелательно работать при относительно высокой концентрации H в образце. Интенсивность рассеяния на H-ядрах имеет большую неупругую составляющую, что создает большой сплошной фон, более или менее не зависящий от угла рассеяния. Упругая картина обычно состоит из резких брэгговских отражений, если образец кристаллический. Они склонны тонуть в неэластичном фоне. Это становится еще более серьезным, когда этот метод используется для изучения структуры жидкости. Тем не менее, готовя образцы с разными соотношениями изотопов, можно достаточно варьировать контраст рассеяния, чтобы выделить один элемент в сложной структуре. Вариация других элементов возможна, но обычно довольно дорога. Водород недорог и особенно интересен, поскольку он играет исключительно большую роль в биохимических структурах и его трудно структурно изучать другими способами.
Первые эксперименты по дифракции нейтронов были проведены в 1945 году Эрнестом О. Волланом с использованием графитового реактора в Ок-Ридже . Вскоре после этого (июнь 1946 г.) [11] к нему присоединился Клиффорд Шулл , и вместе они установили основные принципы метода и успешно применили его ко многим различным материалам, решая такие проблемы, как структура льда и микроскопическое расположение магнитных моментов. в материалах. За это достижение Шулль был удостоен половины Нобелевской премии по физике 1994 года . (Волан умер в 1984 году). (Другая половина Нобелевской премии по физике 1994 года досталась Берту Брокгаузу за разработку метода неупругого рассеяния на предприятии AECL в Чок-Ривер . Это также включало изобретение трехосного спектрометра). Задержка между достигнутыми работами (1946 г.) и Нобелевской премией, присужденной Брокгаузу и Шуллю (1994 г.), приближает их к задержке между изобретением Эрнстом Руской электронного микроскопа (1933 г.) - также в области оптики элементарных частиц - и собственная Нобелевская премия (1986). Это, в свою очередь, близко к рекорду в 55 лет между открытиями Пейтона Роуса и присуждением ему Нобелевской премии в 1966 году.