Neutronografi (från neutron och "graf" - jag skriver, även neutronspektroskopi ) är en diffraktionsmetod för att studera den atomära och/eller magnetiska strukturen hos kristaller , amorfa material och vätskor med hjälp av neutronspridning .
Neutronen upptäcktes av James Chadwick 1932 och redan 1936 visades det indirekt att den, precis som andra elementarpartiklar, uppvisar vågegenskaper och kan diffraktera på kristallgitter. Det första arbetet inom neutronografiområdet tillhör den italienske fysikern Enrico Fermi ( 1946-48 ) . På 1950-talet fanns även testreaktorer på plats som kunde generera tillräckligt ljusa neutronflöden som behövs för att utföra neutronspektroskopiexperiment . Experiment liknande Debye-Scherrer- experimentet genomfördes också . Dessa och ett antal andra verk var dock fragmentariska och ofullständiga. I synnerhet har den teoretiskt förutsagda effekten av termisk diffus spridning [1] [2] inte bekräftats experimentellt .
1946 visades direkt neutrondiffraktion först vid Ridge under ledning av Vollan Naturliga polykristaller av natriumklorid , såväl som lätt och tungt vatten , användes som mål . Samma år gick Clifford Schull [3] [4] med i denna grupp . 1949 förbättrade de sin uppställning avsevärt genom att fästa en andra spektrometer till utgången , designad specifikt för att detektera neutroner (den första konverterades från en röntgenspektrometer), och även använda indiumplattor för fotografisk inspelning av neutronstrålar. Detta gjorde det möjligt för dem att erhålla neutronen Lauegram för första gången [5] [6] .
1951 började arbetet med den systematiska studien av neutrondiffraktion vid Chalk River Laboratory ( Kanada ). Det var där som 1952, under ledning av Bertram Brockhouse , utvecklades den första treaxliga neutronspektrometern, som gjorde det möjligt att göra ett genombrott inom neutronspektroskopi. Det är sant att vid den här tiden inträffade en olycka vid NRX-reaktorn de använde och återupptogs först 1954 Under dessa två år odlades dock stora enkristallgöt av aluminium och bly, vilket gjorde det möjligt att skapa en monokromator och spektrometeranalysator med unika egenskaper. Den framgångsrika designen av spektrometern och nya teknologier gjorde det möjligt att erhålla ett stort antal helt nya resultat på kort tid [7] [8] .
1994 belönades dessa verk med Nobelpriset i fysik , som tilldelades K. Schall och B. Brockhaus (E. Vollan tilldelades inte priset, sedan han dog 1984).
För neutronspektrometri används vanligtvis termiska neutroner med energier från 0,001 eV till flera tiondelar av en eV, erhållna i kärnreaktorer . Sådana neutroner har de Broglie-våglängder som sträcker sig från tiondels ångström till 10 ångström. Detta val beror på det faktum att de karakteristiska energierna för kvantnivåer i kondenserade medier faller inom detta energiområde. I det här fallet är neutronvåglängden lika med det interatomära avståndet i storleksordning. Det är också tur att neutroner med sådan energi lätt kan penetrera till avsevärda djup i de flesta material utan att förstöra dem [9] [10] .
Objektet som studeras bestrålas med en neutronstråle, som är spridd på ämnets atomer. Spridning registreras med neutronspektrometrar, som mäter intensiteten av neutronspridning som en funktion av diffraktionsvinkeln, på samma sätt som röntgendiffraktometri. Baserat på de erhållna diffraktionsspektra, återställs atomstrukturen för föremålet som studeras.
Neutronernas energi i en stråle mäts vanligtvis antingen genom att mäta de Broglie-våglängden för neutroner genom deras diffraktion på ett enkristallgitter, eller genom tidpunkten för deras flygning genom ett gap med känd längd. Den första metoden ger emellertid ett ytterligare fel associerat med övergången från reflektionsvinkeln till våglängden genom Bragg-transformen. Samtidigt är dessa metoder mycket olika ur teknisk synvinkel och ur synvinkeln att sätta upp ett experiment [11] [12] .
Ytterligare två metoder för att mäta neutronenergin i en stråle används mer sällan. I den första av dem, som kallas "Filter-chopper" ( eng. fliter-chopper ) eller "Cold neutron" ( eng. cold neutron ), används speciella polykristallina filter, vanligtvis gjorda av metalliskt beryllium. Detta filter filtrerar bort alla neutroner med en våglängd som är mindre än en viss (längre våglängder upplever helt enkelt inte Bragg-spridning och passerar obehindrat genom filtret). De spridda neutronerna analyseras sedan med fly-by-metoden. Den omvända metoden är metoden "Filter-detektor" eller " berylliumdetektor" , där endast de långsammaste neutronerna registreras med hjälp av kristalldiffraktion [13] [14] .
För en mer detaljerad mätning av neutronspektrumet används mer sofistikerade metoder. Till exempel är adsorptionsmetoden baserad på det faktum att kärnorna i olika kemiska grundämnen har olika beroende av neutroninfångningstvärsnittet av sin energi. Eftersom alla dessa tvärsnitt är välkända gör en successiv serie av absorbatorer gjorda av olika ämnen det möjligt att mäta neutronspektrumet [13] [14] .
Ett betydande genombrott var utvecklingen av den triaxliga neutronspektrometertekniken. Provet som studerades placerades på ett bord som kunde röra sig längs utbredningsriktningen för en "monokromatisk" neutronstråle, erhållen som ett resultat av Bragg-diffraktion av neutroner på en enkristall och sållning av överskott genom diffraktion. Den andra monokromatorn fungerar som en analysatorspektrometer och kan röra sig som en helhet. Denna teknologi gjorde det relativt enkelt att mäta spridningstvärsnittets beroende av neutronenergin och dess spridningsvinkel i ett brett spektrum av parametrar [7] [8] .
När man tolkar neutrondiffraktionsspektra använder man den geometriska teorin om diffraktion , som även är tillämplig på elektron- och röntgendiffraktion . Var och en av dessa strålningar har en specifik interaktion med materia, som bestämmer deras omfattning.
Spridning av neutroner sker på atomkärnorna, vilket leder till frånvaron av ett systematiskt beroende av spridningsamplituden på det kemiska elementets ordningsnummer , i motsats till spridningen av elektroner och röntgenstrålar. Detta gör att neutronografi kan användas för att bestämma positionen för atomer av angränsande element i det periodiska systemet .
Neutronspridningsamplituden för lätta atomer (med ett litet laddningstal) är jämförbar med spridningsamplituden för tunga atomer, vilket gör neutroner oumbärliga för att bestämma positionen för väteatomer i metallhydrider, kol i metallkarbider, etc.
Vissa kärnor sprider neutronvågor i fas, vilket har funnit tillämpning i nollmatrismetoden , när en sådan sammansättning väljs så att den totala spridningsamplituden för atomer i ett av subgittren är lika med noll. I det här fallet kommer spridning endast att ske från ett annat subgitter, och om dessa är atomer av lätta element, förenklas bestämningen av deras koordinater i enhetscellen avsevärt.
Eftersom neutronernas spridningsamplitud inte beror på spridningsvinkeln kan de användas för att studera atomstrukturen hos vätskor och amorfa material.
Närvaron av ett magnetiskt moment i en neutron leder till att de sprids på grund av interaktion med både atomkärnor och elektronskal med magnetiska moment. Därför är neutroner det enda verktyget för att studera magnetisk ordning i magneter där det finns en korrelation mellan riktningarna för magnetiska moment . Således, tack vare magnetisk neutronografi, upptäcktes nya klasser av magnetiska material - antiferromagneter och ferrimagneter .