НЕЙТРОНОГРАФИЯ

Совокупность методов изучения строения в-ва в конденсиров. состоянии методом рассеяния нейтронов низких энергий (?<1 эВ). Яд. реакторы явл. источником тепловых нейтронов, энергетич. спектр к-рых имеет максимум в области 0,06 эВ. Соответствующая этой энергии длина волны де Бройля l=1? соизмерима с межатомными расстояниями в конденсиров. средах. Это делает возможным исследование взаимного расположения атомов в в-ве с помощью дифракции нейтронов (см. ДИФРАКЦИЯ МИКРОЧАСТИЦ). Соизмеримость энергии тепловых нейтронов с энергией тепловых колебаний атомов позволяет изучать динамич. св-ва в-ва (см. ) (см. Колебания кристаллической решётки). Наличие у нейтрона магн. момента, к-рый может взаимодействовать с магн. моментами атомов, позволяет исследовать величину, расположение и взаимную ориентацию магн. моментов атомов. Н. применяется для исследования структурных, динамич. и магн. свойств практически всех известных форм конденсиров. сред от простых кристаллов и жидкостей до биол. макромолекул (см. БИОЛОГИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ). Н. позволяет изучать микроструктуру сплавов, фазовые переходы и др. Рассеяние нейтронов в-вом принято классифицировать по след. признакам:

а) по изменению энергии нейтрона при рассеянии (у п р у г о е, н е у п р у г о е рассеяния);

б) по характеру вз-ствия нейтрона с рассеивающим центром (я д е р н о е, м а г н и т н о е рассеяния);

в) по степени когерентности волн де Бройля, рассеянных от множества центров, образующих изучаемое в-во. В общем случае интенсивность суммарной рассеянной волны (достаточно малым объёмом в-ва) можно представить в виде двух слагаемых, первое из к-рых пропорц. числу рассеивающих центров N (некогерентная составляющая), второе — N2 (когерентная составляющая). Когерентная составляющая рассеяния явл. структурно-чувствительной, некогерентная составляющая отражает вз-ствие нейтрона с отд. рассеивающими центрами и поэтому даёт информацию только о динамических свойствах отдельных атомов или молекул.

Рис. 1. Нейтронограмма антиферромагн. порошка МоТе2 при 4,2 К с ядерными и магн. дифракц. максимумами (в скобках индексы кристаллографич. атомных плоскостей).

Структурная нейтронография. В кристаллах упругое когерентное рассеяние нейтронов на ядрах наблюдается в виде узких дифракц. максимумов интенсивности (рефлексов, рис. 1), появляющихся для тех направлений, для к-рых выполнено Брэгга — Вульфа условие. Структурная Н. во многом похожа на рентгеновский структурный анализ. Отличия связаны с тем, что нейтроны рассеиваются ядрами, а рентгеновские лучи — атомными электронами. Н. применяется для решения задач, малодоступных для рентгеновского структурного анализа, в частности для определения координат атомов водорода, анализа соединений атомов с близкими ат. номерами Z и соединений лёгких атомов с тяжёлыми, исследования распределения изотопов. Совместное использование рентгеновского и нейтронного дифракц. методов позволяет исследовать пространств. распределение эл-нов, участвующих в образовании хим. связи. Особенности структурной Н.— изотропия яд. формфакторов, большая проникающая способность нейтронов, широкий диапазон длин волн, аномальная дисперсия для ряда элементов и др.

Наиболее сложные соединения, структура к-рых исследовалась нейтронографически,— витамин В12 и белок миоглобин.

Магнитное когерентное рассеяние нейтронов. Наличие магн. упорядочения обычно обнаруживается по появлению на нейтронограммах на фоне яд. рассеяния дополнит. максимумов когерентного магн. рассеяния, интенсивность к-рого зависит от темп-ры. По положению этих максимумов и их величине (рис. 1) можно определить тип магн. структуры кристалла и величины магн. моментов атомов. В случае монокристаллов можно определить также направление магн. Моментов относительно кристаллографических осей и построить распределение в элементарной ячейке спиновой плотности — плотности магнитно-активных эл-нов, спин к-рых не скомпенсирован в пределах атома (см. ПАРАМАГНЕТИЗМ).

Магн. рассеяние нейтронов обычно сопровождается ядерным и требуются спец. меры для их разделения. Наиболее эффективно это достигается применением пучков поляризованных нейтронов. Если магн. структура не совпадает с атомной (антиферромагнетики и магнетики с геликоидальной структурой), то возникают чисто магн. рефлексы.

Движение атомов и молекул в конденсиров. средах описывается с помощью квазичастиц, в частности фононов. Неупругое когерентное рассеяние нейтронов на ядрах, сопровождающееся рождением или уничтожением одного фонона, позволяет изучать его св-ва — дисперсии закон ?(р) (? — энергия квазичастицы, р — её квазиимпульс), время жизни и характер вз-ствия с др. квазичастицами. Магноны исследуются с помощью неупругого когерентного магн. рассеяния.

Некогерентное рассеяние нейтронов. Упругое некогерентное ядерное рассеяние даёт информацию только о вероятности процесса рассеяния без передачи энергии. Квазиупругое рассеяние (с очень малыми передаваемыми энергиями =10-3—10-7 эВ) даёт сведения о самодиффузии атомов и молекул в жидкостях, диффузии протонов в металлах, колебаниях макромолекул в растворах и др. Упругое некогерентное магн. рассеяние позволяет исследовать пространств. распределение магнитно-активных эл-нов в отд. парамагн. атомах.

Неупругое некогерентное яд. рассеяние в моно- и поликристаллах позволяет исследовать фононный спектр и динамику отд. некогерентно рассеивающих центров, напр. протонов в металлах, небольших молекул и мол. групп (NH3CH3 и др.) в сложных водородсодержащих кристаллах и т. п. Неупругое некогерентное магн. рассеяние применяется при исследовании структуры электронных уровней осн. мультиплетов парамагн. ионов в металлах и металлидах. Некогерентный неупругий процесс даёт информацию сразу о всех возможных возбуждениях, т. е. о плотности состояний квазичастиц.

Экспериментальные методы. Источником нейтронов в Н. обычно явл. ядерный реактор. Измерение энергии нейтрона производят:

а) с помощью нейтронных дифракц. монохроматоров М (монокристаллы Cu, Zn и др., рис. 2, а, в) или многослойных отражающих зеркал;

б) с помощью фильтров А (рис. 2, г) из в-в, обладающих «окном» прозрачности для нейтронов в определённой области энергий (напр., Be прозрачен для энергий 5•10-3 эВ);

в) по времени пролёта (рис. 2, б);

г) методами монохроматизации поляризов. нейтронов (резонансный метод и метод спинового эха). Резонансный метод основан на явлении резонансного переворачивания спина нейтрона в стационарном магн. поле с пространств. периодичностью вдоль нейтронного пучка. При нек-ром выборе периода и величины магн. поля нейтроны определённой энергии испытывают переворачивание спина и могут быть отделены от нейтронов др. энергий. Метод нейтронного спинового эха основан на ларморовской прецессии спина нейтрона во внеш. магн. поле.

Рис. 2. Схемы нейтронографич. экспериментов: И — источник нейтронов, ИИ — импульсный источник, M — кристалл — монохроматор, О — исследуемый образец, Д — детектор, А — фильтр—анализатор; а и 6 — изучение упругого, в и г — неупругого рассеяний нейтронов.

Этот способ позволяет обнаружить изменение энергии нейтрона порядка 10-7—10-10 эВ. Для анализа неупругого рассеяния нейтронов используется метод времени пролёта с фильтром перед детектором (рис. 2, г).