stringtranslate.com

Дифракция нейтронов

Нейтронная дифракция, использованная вместе с молекулярным моделированием, показала, что чувствительный к напряжению домен ионного канала (красная, желтая и синяя молекула в центре) возмущает двухслойную клеточную мембрану, которая его окружает (желтые поверхности), в результате чего мембрана слегка истончается.

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, которая дает информацию о структуре материала. Метод похож на рентгеновскую дифракцию , но из-за различных рассеивающих свойств нейтроны и рентгеновские лучи предоставляют дополнительную информацию: рентгеновские лучи подходят для поверхностного анализа, сильные рентгеновские лучи от синхротронного излучения подходят для анализа на небольшой глубине или тонких образцов, в то время как нейтроны с большой глубиной проникновения подходят для объемных образцов. [1]

Требования к инструментам и образцам

Для этой техники требуется источник нейтронов. Нейтроны обычно производятся в ядерном реакторе или источнике расщепления . В исследовательском реакторе необходимы другие компоненты, включая кристаллический монохроматор (в случае тепловых нейтронов), а также фильтры для выбора желаемой длины волны нейтронов. Некоторые части установки также могут быть подвижными. Для длинноволновых нейтронов кристаллы использовать нельзя, и вместо них в качестве дифракционных оптических компонентов используются решетки. [2] В источнике расщепления метод времени пролета используется для сортировки энергий падающих нейтронов (нейтроны с более высокой энергией быстрее), поэтому не нужен монохроматор, а скорее ряд апертурных элементов, синхронизированных для фильтрации нейтронных импульсов с желаемой длиной волны.

Методика чаще всего выполняется как порошковая дифракция , для которой требуется только поликристаллический порошок. Работа с монокристаллами также возможна, но кристаллы должны быть намного больше тех, которые используются в монокристаллической рентгеновской кристаллографии . Обычно используются кристаллы размером около 1 мм 3 . [3]

Для этой технологии также требуется устройство, способное обнаруживать нейтроны после их рассеяния.

Подводя итог, можно сказать, что основным недостатком нейтронной дифракции является необходимость в ядерном реакторе. Для работы с монокристаллами эта техника требует относительно больших кристаллов, которые обычно сложно выращивать. Преимуществ у этой техники много - чувствительность к легким атомам, способность различать изотопы, отсутствие радиационного повреждения [3] , а также глубина проникновения в несколько см [1].

Ядерное рассеяние

Как и все квантовые частицы , нейтроны могут проявлять волновые явления, обычно связанные со светом или звуком. Дифракция является одним из таких явлений; она происходит, когда волны сталкиваются с препятствиями, размер которых сопоставим 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 их скорости, их длина волны лежит около одного ангстрема (0,1 нанометра ), типичного расстояния между атомами в твердом материале. Такой пучок затем может быть использован для проведения дифракционного эксперимента. Падая на кристаллический образец, 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 взаимодействуют с веществом по-разному. 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 взаимодействуют непосредственно с ядром атома, и вклад в интенсивность дифрагированного излучения зависит от каждого изотопа ; например, обычный водород и дейтерий вносят разный вклад. Также часто бывает так, что легкие (с низким Z) атомы вносят большой вклад в интенсивность дифрагированного излучения, даже в присутствии атомов с большим Z. Длина рассеяния изменяется от изотопа к изотопу, а не линейно с атомным номером. Такой элемент, как ванадий, сильно рассеивает рентгеновские лучи, но его ядра почти не рассеивают нейтроны, поэтому его часто используют в качестве материала контейнера. Немагнитная нейтронная дифракция напрямую чувствительна к положению ядер атомов.

Ядра атомов, на которых рассеиваются нейтроны, крошечные. Более того, нет необходимости в атомном форм-факторе для описания формы электронного облака атома, а рассеивающая способность атома не падает с углом рассеяния, как это происходит для рентгеновских лучей. Поэтому дифрактограммы могут показывать сильные, хорошо определенные дифракционные пики даже при больших углах, особенно если эксперимент проводится при низких температурах. Многие источники нейтронов оснащены системами охлаждения жидким гелием, которые позволяют собирать данные при температурах до 4,2 К. Превосходная информация о больших углах (т. е. высокое разрешение ) означает, что положения атомов в структуре могут быть определены с высокой точностью. С другой стороны, карты Фурье (и в меньшей степени карты разности Фурье), полученные из нейтронных данных, страдают от ошибок завершения ряда, иногда настолько больших, что результаты становятся бессмысленными.

Магнитное рассеяние

Хотя нейтроны не заряжены, они несут магнитный момент и, следовательно, взаимодействуют с магнитными моментами, включая те, которые возникают из электронного облака вокруг атома. Поэтому дифракция нейтронов может выявить микроскопическую магнитную структуру материала. [4]

Магнитное рассеяние требует атомного форм-фактора , поскольку оно вызвано гораздо большим электронным облаком вокруг крошечного ядра. Интенсивность магнитного вклада в дифракционные пики будет, таким образом, уменьшаться в направлении к большим углам.

Использует

Дифракцию нейтронов можно использовать для определения статического структурного фактора газов , жидкостей или аморфных твердых тел . Однако большинство экспериментов направлены на структуру кристаллических твердых тел, что делает дифракцию нейтронов важным инструментом кристаллографии .

Нейтронная дифракция тесно связана с рентгеновской порошковой дифракцией . [5] Фактически, монокристаллическая версия метода используется реже, поскольку в настоящее время доступные источники нейтронов требуют относительно больших образцов, а большие монокристаллы трудно или невозможно найти для большинства материалов. Однако будущие разработки могут изменить эту картину. Поскольку данные обычно представляют собой одномерную порошковую дифрактограмму, они обычно обрабатываются с использованием уточнения Ритвельда . Фактически, последнее берет свое начало в нейтронной дифракции (в Петтене в Нидерландах) и позже было расширено для использования в рентгеновской дифракции.

Одним из практических применений упругого рассеяния/дифракции нейтронов является то, что постоянная решетки металлов и других кристаллических материалов может быть измерена очень точно. Вместе с точно выровненным микропозиционером можно получить карту постоянной решетки через металл. Ее можно легко преобразовать в поле напряжений, испытываемое материалом. [1] Это использовалось для анализа напряжений в аэрокосмических и автомобильных компонентах, чтобы привести всего два примера. Высокая глубина проникновения позволяет измерять остаточные напряжения в объемных компонентах, таких как коленчатые валы, поршни, рельсы, шестерни. Этот метод привел к разработке специализированных дифрактометров напряжений, таких как прибор ENGIN-X на источнике нейтронов ISIS .

Дифракцию нейтронов можно также использовать для получения представления о трехмерной структуре любого материала, который дифрагирует. [6] [7]

Другое применение — определение числа сольватации 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 самых ранних применений нейтронной дифракции было изучение ориентаций магнитных диполей в антиферромагнитных оксидах переходных металлов, таких как оксиды марганца, железа, никеля и кобальта. Эти эксперименты, впервые проведенные Клиффордом Шуллом, были первыми, показавшими существование антиферромагнитного расположения магнитных диполей в структуре материала. [8] В настоящее время нейтронная дифракция продолжает использоваться для характеристики новых разработанных магнитных материалов.

Водород, нулевое рассеяние и изменение контраста

Нейтронную дифракцию можно использовать для установления структуры материалов с низким атомным числом, таких как белки и поверхностно-активные вещества, гораздо легче при более низком потоке, чем при синхротронном источнике излучения. Это связано с тем, что некоторые материалы с низким атомным числом имеют более высокое поперечное сечение для взаимодействия нейтронов, чем материалы с более высоким атомным весом.

Одним из главных преимуществ нейтронной дифракции перед рентгеновской дифракцией является то, что последняя довольно нечувствительна 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 могут быть определены с большей точностью с помощью нейтронной дифракции. Структуры металлогидридных комплексов , например, Mg 2 FeH 6, были оценены с помощью нейтронной дифракции. [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 технике различать их. Фактически, существует определенное соотношение изотопов , для которого вклад элемента будет отменен, это называется нулевым рассеянием.

Нежелательно работать с относительно высокой концентрацией H в образце. Интенсивность рассеяния ядрами H имеет большую неупругую составляющую, что создает большой непрерывный фон, который более или менее независим от угла рассеяния. Упругая картина обычно состоит из резких брэгговских отражений , если образец кристаллический. Они имеют тенденцию тонуть в неупругом фоне. Это еще более серьезно, когда метод используется для изучения структуры жидкости. Тем не менее, готовя образцы с различными изотопными соотношениями, можно изменять контраст рассеяния достаточно, чтобы выделить один элемент в сложной структуре. Изменение других элементов возможно, 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.

История

Нейтрон был открыт примерно в начале 1930-х годов, а дифракция впервые наблюдалась в 1936 году [11] двумя группами, фон Хальбаном и Прейсверком [12] и Митчеллом и Пауэрсом. [13] В 1944 году Эрнест О. Воллан , имея опыт работы в области рассеяния рентгеновских лучей в своей докторской работе [14] под руководством Артура Комптона , осознал потенциал применения тепловых нейтронов из недавно введенного в эксплуатацию ядерного реактора X-10 в кристаллографии . Вместе с Клиффордом Г. Шаллом они разрабатывали [15] дифракцию нейтронов в течение 1940-х годов. 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.) [16] к нему присоединился Клиффорд Шулл , и вместе они установили основные принципы этой техники и успешно применили ее ко многим различным материалам, решая такие проблемы, как структура льда и микроскопическое расположение магнитных моментов в материалах. За это достижение Шулл был награжден половиной Нобелевской премии по физике 1994 года . (Воллан умер в 1984 г.). (Другая половина Нобелевской премии по физике 1994 года досталась Берту Брокхаузу за разработку метода неупругого рассеяния на объекте AECL в Чок -Ривер . Это также включало изобретение трехосного спектрометра). Задержка между выполненной работой (1946 г.) и Нобелевской премией, присужденной Брокхаузу и Шуллу (1994 г.), сближает их с задержкой между изобретением Эрнстом Руской электронного микроскопа (1933 г.) — также в области оптики частиц — и его собственной Нобелевской премией (1986 г.). Это, в свою очередь, близко к рекорду в 55 лет между открытиями Пейтона Рауса и присуждением ему Нобелевской премии в 1966 году.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Измерение остаточного напряжения в материалах с использованием нейтронов, МАГАТЭ , 2003
  2. ^ Hadden, Elhoucine; Iso, Yuko; Kume, Atsushi; Umemoto, Koichi; Jenke, Tobias; Fally, Martin; Klepp, Jürgen; Tomita, Yasuo (2022-05-24). «Композитные решетки на основе наночастиц и полимеров на основе наноалмазов с чрезвычайно большой модуляцией показателя преломления нейтронов». В McLeod, Robert R; Tomita, Yasuo; Sheridan, John T; Pascual Villalobos, Inmaculada (ред.). Photosensitive Materials and their Applications II . Vol. 12151. SPIE. pp. 70–76. Bibcode : 2022SPIE12151E..09H. doi : 10.1117/12.2623661. ISBN 9781510651784. S2CID  249056691.
  3. ^ ab Паула МБ Пикколи, Томас Ф. Кетцле, Артур Дж. Шульц «Дифракция нейтронов на монокристалле для химиков-неоргаников — практическое руководство» Комментарии к журналу «Неорганическая химия» 2007 г., том 28, стр. 3–38. doi : 10.1080/02603590701394741
  4. ^ Нейтронная дифракция магнитных материалов / Ю. А. Изюмов, В. Е. Найш и Р. П. Озеров ; перевод с русского Иоахима Бюхнера. Нью-Йорк: Consultants Bureau, c1991. ISBN 0-306-11030-X 
  5. ^ Нейтронная порошковая дифракция Ричарда М. Ибберсона и Уильяма И. Ф. Дэвида, Глава 5 «Определение структуры по данным порошковой дифракции», монография IUCr по кристаллографии, Oxford Scientific Publications 2002, ISBN 0-19-850091-2 
  6. ^ Охеда-Мэй, П.; Терронес, М.; Терронес, Х.; Хоффман, Д.; и др. (2007), «Определение хиральности однослойных углеродных нанотрубок методом нейтронной порошковой дифракции», Diamond and Related Materials , 16 (3): 473–476, Bibcode : 2007DRM....16..473O, doi : 10.1016/j.diamond.2006.09.019
  7. ^ Пейдж, К.; Проффен, Т.; Нидербергер, М.; Сешадри, Р. (2010), «Исследование локальных диполей и структуры лигандов в наночастицах BaTiO3», Химия материалов , 22 (15): 4386–4391, doi : 10.1021/cm100440p
  8. ^ Шулл, К. Г.; Штраузер, У. А.; Уоллан, Э. О. (1951-07-15). «Дифракция нейтронов на парамагнитных и антиферромагнитных веществах». Physical Review . 83 (2). Американское физическое общество (APS): 333–345. Bibcode : 1951PhRv...83..333S. doi : 10.1103/physrev.83.333. ISSN  0031-899X.
  9. ^ Роберт Бау, Мэри Х. Драбнис «Структуры гидридов переходных металлов, определенные методом нейтронной дифракции» Inorganica Chimica Acta 1997, т. 259, стр. 27-50. doi :10.1016/S0020-1693(97)89125-6
  10. ^ ab Sears, VF (1992), «Длины и сечения рассеяния нейтронов», Neutron News , 3 (3): 26–37, doi :10.1080/10448639208218770
  11. ^ Мейсон, TE; Гаун, TJ; Наглер, SE; Нестор, MB; Карпентер, JM (2013-01-01). «Раннее развитие нейтронной дифракции: наука в крыльях Манхэттенского проекта». Acta Crystallographica Раздел A: Основы кристаллографии . 69 (1): 37–44. doi :10.1107/S0108767312036021. ISSN  0108-7673. PMC 3526866. PMID 23250059  . 
  12. ^ H, Фон Хальбан (1936). «Предварительный эксперимент по дифракции нейтронов». акад. наук. Париж . 203 : 73–75.
  13. ^ Митчелл, Дана П.; Пауэрс, Филип Н. (1936-09-01). «Брэгговское отражение медленных нейтронов». Physical Review . 50 (5): 486–487. doi :10.1103/PhysRev.50.486.2.
  14. ^ Снелл, AH; Уилкинсон, MK; Келер, WC (1984). "Эрнест Омар Воллан". Physics Today . 37 (11): 120. Bibcode : 1984PhT....37k.120S. doi : 10.1063/1.2915947 .
  15. ^ Шулл, К. Г. (1997). "Раннее развитие нейтронного рассеяния" (PDF) . В Экспонге, Г. (ред.). Нобелевские лекции по физике 1991–1995 . World Scientific Publishing . стр. 145–154. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-05-19.
  16. ^ Шулл, Клиффорд Г. (1995-10-01). «Раннее развитие нейтронного рассеяния». Reviews of Modern Physics . 67 (4). Американское физическое общество (APS): 753–757. Bibcode : 1995RvMP...67..753S. doi : 10.1103/revmodphys.67.753. ISSN  0034-6861.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки