Рассеяние нейтронов , нерегулярное рассеивание свободных нейтронов материей, может относиться как к самому естественному физическому процессу, так и к искусственным экспериментальным методам, которые используют естественный процесс для исследования материалов. Естественное/физическое явление имеет элементарное значение в ядерной инженерии и ядерных науках. Что касается экспериментальной техники, понимание и манипулирование рассеянием нейтронов имеет основополагающее значение для приложений, используемых в кристаллографии , физике , физической химии , биофизике и исследовании материалов .
Рассеяние нейтронов практикуется на исследовательских реакторах и источниках нейтронов расщепления , которые обеспечивают нейтронное излучение различной интенсивности . Методы дифракции нейтронов ( упругого рассеяния ) используются для анализа структур; где неупругое рассеяние нейтронов используется для изучения атомных колебаний и других возбуждений .
«Быстрые нейтроны» (см. нейтронная температура ) имеют кинетическую энергию выше 1 МэВ . Они могут рассеиваться конденсированным веществом — ядрами, имеющими кинетическую энергию намного ниже 1 эВ — как допустимое экспериментальное приближение упругого столкновения с покоящейся частицей. При каждом столкновении быстрый нейтрон передает значительную часть своей кинетической энергии рассеивающему ядру (конденсированному веществу), тем больше, чем легче ядро. И при каждом столкновении «быстрый» нейтрон замедляется до тех пор, пока не достигнет теплового равновесия с веществом, в котором он рассеивается.
Замедлители нейтронов используются для получения тепловых нейтронов , имеющих кинетическую энергию ниже 1 эВ (T < 500K). [1] Тепловые нейтроны используются для поддержания ядерной цепной реакции в ядерном реакторе , а также в качестве исследовательского инструмента в экспериментах по рассеянию нейтронов и других приложениях нейтронной науки (см. ниже). Оставшаяся часть этой статьи посвящена рассеянию тепловых нейтронов.
Поскольку нейтроны электрически нейтральны, они проникают в вещество глубже, чем электрически заряженные частицы со сравнимой кинетической энергией, и поэтому представляют ценность в качестве зондов для изучения объемных свойств.
Нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами и с магнитными полями неспаренных электронов, вызывая выраженные эффекты интерференции и передачи энергии в экспериментах по рассеянию нейтронов. В отличие от рентгеновского фотона с похожей длиной волны, который взаимодействует с электронным облаком, окружающим ядро , нейтроны взаимодействуют в первую очередь с самим ядром, как описано псевдопотенциалом Ферми . Сечения рассеяния и поглощения нейтронов сильно различаются от изотопа к изотопу.
Рассеяние нейтронов может быть некогерентным или когерентным, также в зависимости от изотопа. Среди всех изотопов водород имеет самое высокое сечение рассеяния. Такие важные элементы, как углерод и кислород, хорошо видны при рассеянии нейтронов — это резко контрастирует с рассеянием рентгеновских лучей , где сечение систематически увеличивается с атомным номером. Таким образом, нейтроны можно использовать для анализа материалов с низкими атомными номерами, включая белки и поверхностно-активные вещества. Это можно сделать на синхротронных источниках, но необходимы очень высокие интенсивности, которые могут привести к изменению структур. Ядро обеспечивает очень короткий диапазон, поскольку изотропный потенциал случайным образом изменяется от изотопа к изотопу, что позволяет настраивать контраст (рассеивания) в соответствии с экспериментом.
Рассеяние почти всегда представляет как упругие, так и неупругие компоненты. Доля упругого рассеяния определяется фактором Дебая-Валлера или фактором Мёссбауэра-Лэмба . В зависимости от исследовательского вопроса большинство измерений концентрируются либо на упругом, либо на неупругом рассеянии.
Важно достичь точной скорости, т. е. точной энергии и длины волны де Бройля , нейтронного пучка. Такие пучки с одной энергией называются «монохроматическими», и монохроматичность достигается либо с помощью кристаллического монохроматора, либо с помощью времяпролетного (TOF) спектрометра . В методе времени пролета нейтроны посылаются через последовательность двух вращающихся щелей таким образом, что выбираются только нейтроны с определенной скоростью. Были разработаны источники расщепления, которые могут создавать быстрый импульс нейтронов. Импульс содержит нейтроны с множеством различных скоростей или длин волн де Бройля, но отдельные скорости рассеянных нейтронов могут быть определены впоследствии путем измерения времени пролета нейтронов между образцом и детектором нейтронов.
Нейтрон имеет чистый электрический заряд, равный нулю, но имеет значительный магнитный момент , хотя и всего около 0,1% от момента электрона . Тем не менее, он достаточно велик, чтобы рассеиваться от локальных магнитных полей внутри конденсированного вещества, обеспечивая слабо взаимодействующий и, следовательно, проникающий зонд упорядоченных магнитных структур и флуктуаций электронного спина. [2]
Неупругое рассеяние нейтронов — это экспериментальный метод, обычно используемый в исследованиях конденсированных сред для изучения атомного и молекулярного движения, а также возбуждений магнитного и кристаллического полей. [3] [4] Он отличается от других методов рассеяния нейтронов тем, что разрешает изменение кинетической энергии, которое происходит, когда столкновение нейтронов с образцом является неупругим. Результаты обычно сообщаются как динамический структурный фактор (также называемый законом неупругого рассеяния) , иногда также как динамическая восприимчивость , где вектор рассеяния представляет собой разницу между входящим и исходящим волновым вектором , а представляет собой изменение энергии, испытываемое образцом (отрицательное по отношению к рассеянному нейтрону). Когда результаты отображаются в виде функции , их часто можно интерпретировать так же, как спектры, полученные с помощью обычных спектроскопических методов; поскольку неупругое рассеяние нейтронов можно рассматривать как особую спектроскопию.
Эксперименты по неупругому рассеянию обычно требуют монохроматизации падающего или исходящего пучка и энергетического анализа рассеянных нейтронов. Это можно сделать либо с помощью методов времени пролета ( нейтронное время пролета рассеяния ), либо с помощью отражения Брэгга от монокристаллов ( нейтронная трехосная спектроскопия , нейтронное обратное рассеяние ). Монохроматизация не требуется в методах эха ( нейтронное спиновое эхо , нейтронное резонансное спиновое эхо ), которые используют квантово-механическую фазу нейтронов в дополнение к их амплитудам. [ необходима цитата ]
Первые эксперименты по дифракции нейтронов были проведены в 1930-х годах. [1] Однако только около 1945 года, с появлением ядерных реакторов, стали возможны высокие потоки нейтронов , что привело к возможности углубленных структурных исследований. Первые приборы для рассеяния нейтронов были установлены в пучковых трубках многоцелевых исследовательских реакторов. В 1960-х годах были построены реакторы с высоким потоком, оптимизированные для экспериментов с пучковыми трубками. Развитие достигло кульминации в реакторе с высоким потоком Института Лауэ-Ланжевена (в эксплуатации с 1972 года), который достиг самого высокого потока нейтронов на сегодняшний день. Помимо нескольких источников с высоким потоком, в университетах и других научно-исследовательских институтах имелось около двадцати реакторов со средним потоком. Начиная с 1980-х годов многие из этих источников со средним потоком были закрыты, и исследования были сосредоточены на нескольких ведущих в мире источниках с высоким потоком.
Сегодня большинство экспериментов по рассеянию нейтронов проводятся учеными-исследователями, которые подают заявки на время пучка на источниках нейтронов через формальную процедуру подачи предложений. Из-за низких скоростей счета, используемых в экспериментах по рассеянию нейтронов, для пригодных наборов данных обычно требуются относительно длительные периоды времени пучка (порядка дней). Предложения оцениваются на предмет осуществимости и научного интереса. [5]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)