Рассеяние нейтронов , неравномерное рассеивание свободных нейтронов веществом, может относиться либо к естественному физическому процессу, либо к искусственным экспериментальным методам, которые используют естественный процесс для исследования материалов. Природное/физическое явление имеет первостепенное значение в ядерной технике и ядерных науках. Что касается экспериментальной техники, понимание и управление рассеянием нейтронов имеет основополагающее значение для приложений, используемых в кристаллографии , физике , физической химии , биофизике и исследовании материалов .
Рассеяние нейтронов практикуется на исследовательских реакторах и в источниках расщепленных нейтронов, обеспечивающих нейтронное излучение различной интенсивности . Для анализа структур используются методы нейтронной дифракции ( упругого рассеяния ); где неупругое рассеяние нейтронов используется при изучении атомных колебаний и других возбуждений .
«Быстрые нейтроны» (см. температура нейтронов ) имеют кинетическую энергию выше 1 МэВ . Они могут рассеиваться конденсированным веществом — ядрами, имеющими кинетическую энергию намного ниже 1 эВ, — что является действительным экспериментальным приближением упругого столкновения с покоящейся частицей. При каждом столкновении быстрый нейтрон передает значительную часть своей кинетической энергии рассеивающему ядру (конденсированному веществу), тем более, чем легче ядро. И при каждом столкновении «быстрый» нейтрон замедляется до тех пор, пока не достигнет теплового равновесия с материалом, в котором он рассеивается.
Нейтронные замедлители используются для производства тепловых нейтронов , кинетическая энергия которых ниже 1 эВ (Т <500 К). [1] Тепловые нейтроны используются для поддержания цепной ядерной 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 глубже в материю, чем электрически заряженные частицы с сопоставимой кинетической энергией, и, таким образом, ценны в качестве зондов объемных свойств.
Нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами и с магнитными полями неспаренных электронов, вызывая выраженные эффекты интерференции и переноса энергии в экспериментах по рассеянию нейтронов. В отличие от рентгеновского фотона с аналогичной длиной волны, который взаимодействует с электронным облаком, окружающим ядро , нейтроны взаимодействуют в первую очередь с самим ядром, как это описывается псевдопотенциалом Ферми . Сечения рассеяния и поглощения нейтронов широко варьируются 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. Важные элементы, такие как углерод и кислород, хорошо видны при рассеянии нейтронов — это резко контрастирует с рассеянием рентгеновских лучей , где поперечные сечения систематически увеличиваются с увеличением атомного номера. 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 радиус действия, поскольку изотропный потенциал случайным образом меняется от изотопа к изотопу, что позволяет настроить контраст (рассеяния) в соответствии с экспериментом.
В рассеянии почти всегда присутствуют как упругие, так и неупругие компоненты. Доля упругого рассеяния определяется фактором Дебая-Валлера или фактором Мёссбауэра-Ламба . В зависимости от вопроса исследования большинство измерений концентрируются либо на упругом, либо на неупругом рассеянии.
Достижение точной скорости, то есть точной энергии и длины волны де Бройля , нейтронного пучка имеет важное значение. Такие одноэнергетические пучки называются «монохроматическими», и монохроматичность достигается либо с помощью кристаллического монохроматора, либо с помощью времяпролетного (TOF) спектрометра . В методе времени пролета нейтроны пропускаются через последовательность двух вращающихся щелей, так что отбираются только нейтроны с определенной скоростью. Были разработаны источники расщепления, способные создавать быстрый импульс нейтронов. Импульс содержит нейтроны с разными скоростями или длинами волн де Бройля, но отдельные скорости рассеянных нейтронов можно определить впоследствии , измеряя время пролета нейтронов между образцом и детектором нейтронов.
Нейтрон имеет чистый электрический заряд, равный нулю, но имеет значительный магнитный момент , хотя и составляет всего около 0,1% от магнитного момента электрона . Тем не менее, он достаточно велик, чтобы рассеиваться от локальных магнитных полей внутри конденсированного вещества, обеспечивая слабовзаимодействующий и, следовательно, проникающий зонд упорядоченных магнитных структур и электронных спиновых флуктуаций. [2]
Неупругое рассеяние нейтронов — это экспериментальный метод, обычно используемый в исследованиях конденсированных сред для изучения движения атомов и молекул, а также возбуждений магнитных и кристаллических полей. [3] [4] Он отличается от других методов рассеяния нейтронов тем, что учитывает 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 выходящим волновым вектором , а также изменение энергии, испытываемое образцом (отрицательное, что рассеянный нейтрон). Когда результаты отображаются как функция от , их часто можно интерпретировать так же, как спектры, полученные обычными спектроскопическими методами; поскольку неупругое рассеяние нейтронов можно рассматривать как специальную спектроскопию.
Эксперименты по неупругому рассеянию обычно требуют монохроматизации падающего или уходящего луча и энергетического анализа рассеянных нейтронов. Это можно сделать либо с помощью времяпролетных методов ( времяпролетное рассеяние нейтронов ), либо с помощью брэгговского отражения от монокристаллов ( нейтронная трехосная спектроскопия , обратное рассеяние нейтронов ). Монохроматизация не требуется в методах эха ( нейтронное спиновое эхо , спиновое эхо нейтронного резонанса ), которые используют квантово-механическую фазу нейтронов в дополнение к их амплитудам. [ нужна цитата ]
Первые нейтронографические эксперименты были проведены в 1930-х годах. [1] Однако только примерно в 1945 году, с появлением ядерных реакторов, стали возможны высокие нейтронные потоки , что привело к возможности углубленных структурных исследований. Первые приборы рассеяния нейтронов были установлены в лучевых трубах многоцелевых исследовательских реакторов. В 1960-х годах были построены реакторы с высоким потоком, оптимизированные для экспериментов с лучевой трубкой. Кульминацией разработки стал высокопоточный реактор 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 исследовательских институтах существовало около двадцати реакторных источников со средним потоком. Начиная с 1980-х годов многие из этих источников среднего потока были закрыты, и исследования сосредоточились на нескольких ведущих в мире источниках с высоким потоком.
Сегодня большинство экспериментов по рассеянию нейтронов проводятся учеными-исследователями, которые подают заявки на время луча в источниках нейтронов посредством формальной процедуры предложения. Из-за низкой скорости счета, используемой в экспериментах по рассеянию нейтронов, для получения пригодных наборов данных обычно требуются относительно длительные периоды времени луча (порядка дней). Предложения оцениваются на предмет осуществимости и научного интереса. [5]
{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)