Кіріспе
Нейтронды шашырату – материяның еркін нейтрондарды кездейсоқ таратуы, табиғи физикалық құбылысқа немесе материалдарды зерттеу үшін осы табиғи құбылысты пайдаланатын жасанды тәжірибелік әдістерге қатысты болуы мүмкін. Табиғи/физикалық құбылыс ядролық инженерия және ядролық ғылымдар салаларындағы негізгі маңызға ие. Ал эксперименталдық техникаға келсек, нейтронды шашыратуды түсіну және басқару кристаллография, физика, физикалық химия, биофизика және материалдарды зерттеуде қолданылатын тәжірибелер үшін өте маңызды. Нейтронды шашырату зерттеу реакторларында және әртүрлі қарқындылықтағы нейтрондық сәулелендіру көздерінде жүзеге асырылады. Нейтрон дифракциясы (эластикалық шашырау) әдістері құрылымдарды талдау үшін, ал эластикалық емес нейтронды шашырату атомдық дірілдерді және басқа да қозғыштарды зерттеу үшін қолданылады.
Neutron scattering, the irregular dispersal of free neutrons by matter, can refer to either the naturally occurring physical process itself or to the man made experimental techniques that use the natural process for investigating materials. The natural/physical phenomenon is of elemental importance in nuclear engineering and the nuclear sciences. Regarding the experimental technique, understanding and manipulating neutron scattering is fundamental to the applications used in crystallography, physics, physical chemistry, biophysics, and materials research. Neutron scattering is practiced at research reactors and spallation neutron sources that provide neutron radiation of varying intensities. Neutron diffraction (elastic scattering) techniques are used for analyzing structures; where inelastic neutron scattering is used in studying atomic vibrations and other excitations.
Жылдам нейтрондардың шашырауы
"Жылдам нейтрондар" (нейтрон температурасын қараңыз) 1 МэВ-тан жоғары кинетикалық энергияға ие. Олар конденсацияланған заттың ядроларынан шашыратылуы мүмкін – кинетикалық энергиясы 1 эВ-тен төмен ядролар, бұл тыныш күйдегі бөлшектермен серпімді соқтығысудың жарамды эксперименталдық жуықтамасы болып табылады. Әрбір соқтығысу кезінде жылдам нейтрон кинетикалық энергиясының маңызды бөлігін шашыратылған ядроға (конденсацияланған затқа) береді, әсіресе ядро жеңіл болғанда. Әрбір соқтығысумен "жылдам" нейтрон шашыратылған материалмен жылулық тепе-теңдікке жеткенше баяулайды. Нейтрон баяулағыштары термиялық нейтрондарды өндіру үшін қолданылады, олардың кинетикалық энергиясы 1 эВ-тен төмен болады (T < 500K). Термиялық нейтрондар ядролық реактордағы тізбекті реакцияны сақтау үшін, сондай-ақ нейтронды шашырату эксперименттерінде және нейтрон ғылымының басқа да қолданбаларында зерттеу құралы ретінде қолданылады (төменде қараңыз). Осы мақаланың қалған бөлігі термиялық нейтрондардың шашырауына арналған.
Нейтрон-заттың өзара әрекеттесуі
Нейтрондар электрлік бейтарап болғандықтан, олар бірдей кинетикалық энергияға ие электр зарядталған бөлшектерге қарағанда материяға тереңірек еніп, осылайша заттың көлемдік қасиеттерін зерттеуге мүмкіндік береді. Нейтрондар атом ядроларымен және жұпталмаған электрондардың магниттік өрістерімен әрекеттеседі, нәтижесінде нейтронды шашырату эксперименттерінде айқын интерференция және энергия алмасу эффектілері пайда болады. Ұқсас толқын ұзындығы бар рентген сәулесі ядроның айналасындағы электрондық бұлтпен әрекеттесетін болса, нейтрондар негізінен ядромен өзара әрекеттеседі, бұл Фермидің псевдопотенциалымен сипатталады. Нейтронды шашырату және сіңіру қималары изотоптан изотопқа өзгереді. Нейтронды шашырату когерентті немесе инкогерентті болуы мүмкін, бұл изотопқа да байланысты. Барлық изотоптардың ішінде сутегінің шашырату қимасы ең жоғары. Көміртек және оттегі сияқты маңызды элементтер нейтронды шашыратуда жақсы көрінеді, бұл рентген сәулесін шашыратумен салыстырғанда, қималары атомдық санмен үлкендеп өсуінен өзгеше. Сондықтан нейтрондарды атомдық саны төмен материалдарды, соның ішінде ақуыздар мен беттік белсенді заттарды талдау үшін қолдануға болады. Мұны синхротрон көздерінде де жасауға болады, бірақ өте жоғары интенсивтілік қажет, бұл құрылымдардың өзгеруіне алып келуі мүмкін. Ядро өте қысқа қашықтықтағы, изотоптан изотопқа кездейсоқ өзгеретін изотроптық потенциалды қамтамасыз етеді, бұл экспериментке қарай (шашырату) контрастын реттеуге мүмкіндік береді. Шашырау көбінесе эластикалық және эластикалық емес компоненттерді қамтиды. Эластикалық шашыраудың үлесі Дебай-Уоллер факторымен немесе Мёссбауэр Ламб факторымен анықталады. Зерттеу мәселесіне байланысты, көптеген өлшемдер эластикалық немесе эластикалық емес шашырауға бағытталған. Нейтрон шоғының нақты жылдамдығына, яғни нақты энергиясына және де Броль толқын ұзындығына қол жеткізу маңызды. Мұндай бір энергиялы шоқтар "монохроматтық" деп аталады, ал монохроматтылық кристалдық монохроматор немесе ұшу уақыты (TOF) спектрометрі арқылы қамтамасыз етіледі. Ұшу уақыты әдісінде нейтрондар екі айналмалы саңылаудан өтеді, олар тек белгілі бір жылдамдықтағы нейтрондарды таңдайды. Нейтрондардың жылдам импульсын жасауға мүмкіндік беретін спалляциялық көздер жасалған. Импульсте әртүрлі жылдамдықтардағы немесе де Броль толқын ұзындығындағы көптеген нейтрондар бар, бірақ шашыраған нейтрондардың жеке жылдамдықтары үлгі мен нейтрон детекторы арасындағы нейтрондардың ұшу уақытын өлшеу арқылы анықталады.
Магниттік шашырау
Нейтронның таза электр заряды нөлге тең, бірақ оның магниттік моменті айтарлықтай, электронның магниттік моментынен шамамен 0,1% ғана төмен. Дегенмен, бұл момент конденсирленген заттағы жергілікті магниттік өрістерден шашырауға жеткілікті, соның салдарынан реттелген магниттік құрылымдарды және электрондық спин тербелістерін зерттеуге мүмкіндік беретін әлсіз әрекеттесетін және тереңдете кіретін құрал болып табылады.
Нейтрондардың эластикалық шашырауы
Нейтрондардың серпімсіз шашырауы – конденсирленген заттар зерттеуінде атомдық және молекулалық қозғалысты, сондай-ақ магниттік және кристалдық өрістердің қозуын зерттеу үшін кеңінен қолданылатын тәжірибелік техника. Ол басқа нейтронды шашырату әдістерінен нейтрондар мен сынама арасындағы серпімсіз соқтығысу кезінде туындайтын кинетикалық энергияның өзгеруін анықтау арқылы ерекшеленеді. Нәтижелер көбінесе динамикалық құрылым факторы (кейде серпімсіз шашырау заңы деп те аталады) түрінде, ал кейде динамикалық сезімталдық түрінде ұсынылады, мұнда шашырау векторы кіріс және шығыс толқын векторы арасындағы айырмашылықты, ал энергия өзгерісі – сынаманың энергия өзгерісін (шашыраған нейтрон энергиясының теріс шамасы) көрсетеді. Нәтижелер энергия өзгерісінен ( ) тәуелділік түрінде көрсетілгенде, оларды дәстүрлі спектроскопиялық әдістермен алынған спектрлер сияқты түсіндіруге болады; сондықтан серпімсіз нейтронды шашырауды ерекше спектроскопия түрі деп қарастыруға болады. Серпімсіз шашырау эксперименттері көбінесе кіріс немесе шығыс сәулесін монохроматизациялауды және шашыраған нейтрондардың энергиясын талдауды талап етеді. Бұл уақыт бойынша ұшу әдісі (нейтрондардың ұшу уақытында шашырауы) немесе бір кристалдан Брагг шағылысы (нейтронның үш осьті спектроскопиясы, нейтрондардың кері шашырауы) арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Эхо әдістерінде (нейтронның спиндік эхосы, нейтронның резонанстық спиндік эхосы) монохроматизация қажет емес, олар нейтрондардың амплитудасына қоса кванттық-механикалық фазасын пайдаланады.
Тарих
Нейтрон дифракциясы бойынша алғашқы эксперименттер 1930 жылдары өткізілді.