Дифракция нейтронов

Природа и физические основы дифракции нейтронов

Дифракция нейтронов — это явление когерентного рассеяния нейтронов на периодических структурах вещества, при котором наблюдается интерференционная картина, аналогичная рентгеновской или электронной дифракции. В отличие от фотонов и электронов, нейтроны обладают рядом уникальных свойств, делающих их исключительно ценным инструментом исследования конденсированного состояния вещества.

Ключевая особенность — электрическая нейтральность нейтронов, благодаря чему они проникают глубоко в вещество, практически не взаимодействуя с электронной оболочкой атомов. Основное рассеяние нейтронов обусловлено сильным ядерным взаимодействием с атомными ядрами, что приводит к высокому пространственному разрешению и возможности изучения расположения лёгких атомов (например, водорода) наряду с тяжёлыми элементами.

Кроме того, нейтроны обладают магнитным моментом, что позволяет использовать их для исследования магнитных структур кристаллов, в отличие от рентгеновских лучей, чувствительных главным образом к распределению электронной плотности.

Длина волны и энергетический диапазон нейтронов

Для возникновения дифракции длина волны нейтронов должна быть сравнима с межатомными расстояниями в кристалле (порядка ангстрема).

Длина волны λ нейтрона определяется через его импульс:

$$ \lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{\sqrt{2m_n E}} $$

где h — постоянная Планка, mn — масса нейтрона, E — кинетическая энергия нейтрона.

Для тепловых нейтронов, получаемых в ядерных реакторах, энергия составляет около 0,025 эВ, что соответствует длине волны ~1,8 Å — оптимальной для изучения кристаллических структур. Медленные (ультрахолодные) нейтроны имеют большие длины волн, что делает их подходящими для исследования сверхрешёток и наноструктур.

Условие интерференции (закон Вульфа–Брэгга для нейтронов)

Дифракция нейтронов подчиняется тем же геометрическим условиям, что и рентгеновская дифракция. Основное условие для наблюдения дифракционных максимумов:

nλ = 2dsin θ

где n — порядок дифракции, d — межплоскостное расстояние в кристалле, θ — угол скольжения нейтронного пучка относительно кристаллографических плоскостей.

Однако, в отличие от рентгенов, амплитуды рассеяния нейтронов зависят не от электронной плотности, а от ядерных параметров — эффективных сечений рассеяния. Эти величины могут сильно различаться для разных изотопов одного и того же элемента, что открывает возможность изотопного контраста в экспериментах.

Особенности взаимодействия нейтронов с веществом

  1. Ядерное рассеяние

    • Определяется сильным взаимодействием нейтрона с ядром атома.
    • Эффективное сечение рассеяния не коррелирует с атомным номером.
    • Возможны резонансные эффекты при определённых энергиях.

  2. Магнитное рассеяние

    • Связано с взаимодействием магнитного момента нейтрона с магнитным моментом неспаренных электронов в атомах.
    • Позволяет определять магнитные порядки (ферромагнетизм, антиферромагнетизм, спиральные структуры и др.).

  3. Поглощение нейтронов

    • Обычно мало для большинства элементов, но велико для некоторых изотопов (например, ^10B, ^113Cd, ^157Gd).
    • Используется для фильтрации нейтронных пучков и создания нейтронных детекторов.

Источники нейтронов и методы получения пучков

Для проведения дифракционных экспериментов необходимы когерентные пучки нейтронов с узким диапазоном длин волн.

  • Ядерные реакторы

    • Основной источник тепловых нейтронов.
    • Применяются замедлители (вода, графит, бериллий) для снижения энергии нейтронов.

  • Импульсные источники (спалляция)

    • Нейтроны образуются при бомбардировке тяжёлых мишеней (вольфрам, уран) высокоэнергетическими протонами.
    • Дают интенсивные импульсные пучки с широким спектром энергий.

  • Монохроматизация

    • Путём дифракции на кристаллах (монохроматоры из пиролитического графита, Ge, Si) выделяются нейтроны с определённой длиной волны.

Методы нейтронной дифракции

  1. Порошковая дифракция

    • Образец в виде порошка с случайной ориентацией кристаллитов.
    • Получаемые дифракционные спектры позволяют определять параметры решётки, фазовый состав, распределение атомов.

  2. Дифракция на монокристалле

    • Позволяет реконструировать полную трёхмерную структуру атомов и магнитных моментов.
    • Высокая точность определения координат лёгких атомов (H, D, Li).

  3. Временной пролёт (TOF) метод

    • Используется на импульсных источниках.
    • Длина волны нейтрона определяется по времени пролёта от источника до детектора.

  4. Поляризованные нейтроны

    • Позволяют выделять вклад магнитного рассеяния.
    • Применяются в исследованиях магнитных фазовых переходов и спиновых текстур.

Применение дифракции нейтронов

  • Определение положения лёгких атомов (особенно водорода в гидридах, льдах, биологических молекулах).
  • Исследование магнитных структур (антиферромагнитных, ферримагнитных, спиральных).
  • Определение распределения изотопов и изучение ядерных аномалий рассеяния.
  • Анализ динамики кристаллических решёток (фононы) с использованием неупругого рассеяния.
  • Нейтронография высокотемпературных сверхпроводников, металлогидридов, водородсодержащих топлив.
Оглавление