Введение
Физическое явление
Нейтронное рассеяние, нерегулярное рассеяние свободных нейтронов веществом, может относиться как к самому естественному физическому процессу, так и к созданным человеком экспериментальным методам, использующим этот естественный процесс для исследования материалов. Естественное/физическое явление имеет основополагающее значение в ядерной инженерии и ядерных науках. Что касается экспериментальной техники, понимание и управление нейтронным рассеянием является фундаментальным для приложений, используемых в кристаллографии, физике, физической химии, биофизике и материаловедении. Нейтронное рассеяние проводится на исследовательских реакторах и источниках спалляции, которые обеспечивают нейтронное излучение различной интенсивности. Методы нейтронной дифракции (упругого рассеяния) используются для анализа структуры, а неупругое нейтронное рассеяние – для изучения атомных колебаний и других возбуждений.
Рассеивание быстрых нейтронов
"Быстрые нейтроны" (см. температуру нейтронов) имеют кинетическую энергию выше 1 МэВ. Они могут рассеиваться на конденсированной материи – ядрах, обладающих кинетической энергией значительно ниже 1 эВ, – что является допустимым экспериментальным приближением эластичного столкновения с неподвижной частицей. При каждом столкновении быстрый нейтрон передает значительную часть своей кинетической энергии рассеивающему ядру (конденсированной материи), особенно если ядро легкое. И с каждым столкновением "быстрый" нейтрон замедляется, пока не достигнет теплового равновесия с материалом, в котором он рассеивается. Нейтронные замедлители используются для получения тепловых нейтронов, кинетическая энергия которых ниже 1 эВ (T < 500 К). Тепловые нейтроны используются для поддержания ядерной цепной реакции в ядерном реакторе, а также в качестве исследовательского инструмента в экспериментах по рассеянию нейтронов и других областях нейтронной науки (см. ниже). Дальнейшее изложение посвящено рассеянию тепловых нейтронов.
Нейтронно-материальное взаимодействие
Поскольку нейтроны электрически нейтральны, они проникают глубже в вещество, чем электрически заряженные частицы с сопоставимой кинетической энергией, и поэтому ценны как зонды для исследования объемных свойств. Нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами и с магнитными полями от неспаренных электронов, вызывая выраженные эффекты интерференции и передачи энергии в экспериментах по рассеянию нейтронов. В отличие от фотона рентгеновского излучения с аналогичной длиной волны, который взаимодействует с электронным облаком вокруг ядра, нейтроны взаимодействуют преимущественно с самим ядром, как это описывается псевдопотенциалом Ферми. Поперечные сечения рассеяния и поглощения нейтронов значительно различаются для разных изотопов. Рассеяние нейтронов может быть когерентным или некогерентным, что также зависит от изотопа. Среди всех изотопов водород обладает наибольшим поперечным сечением рассеяния. Важные элементы, такие как углерод и кислород, хорошо видны при рассеянии нейтронов, что резко контрастирует с рассеянием рентгеновских лучей, где поперечные сечения систематически возрастают с увеличением атомного номера. Таким образом, нейтроны могут быть использованы для анализа материалов с низким атомным номером, включая белки и поверхностно-активные вещества. Это возможно и на синхротронных источниках, но требуются очень высокие интенсивности, которые могут привести к изменению структуры образца. Ядро обеспечивает потенциал очень малого радиуса действия, поскольку изотропный потенциал случайным образом меняется от изотопа к изотопу, что позволяет настраивать контрастность рассеяния в соответствии с поставленной задачей. Рассеяние почти всегда включает в себя как эластичные, так и неэластичные компоненты. Доля эластичного рассеяния определяется фактором Дебая-Уоллера или фактором Мёссбауэра-Ламба. В зависимости от цели исследования, большинство измерений сосредоточено либо на эластичном, либо на неэластичном рассеянии. Важно добиться точной скорости, то есть точной энергии и длины волны де Бройля, нейтронного пучка. Такие пучки с одной энергией называются «монохроматическими», а монохроматичность достигается либо с помощью кристаллического монохроматора, либо с помощью спектрометра времени пролета (TOF). В методе времени пролета нейтроны направляются через последовательность двух вращающихся щелей таким образом, чтобы отбирались только нейтроны с определенной скоростью. Разработаны источники спалляции, способные создавать короткие импульсы нейтронов. Импульс содержит нейтроны с различными скоростями или длинами волн де Бройля, но отдельные скорости рассеянных нейтронов могут быть определены позднее путем измерения времени пролета нейтронов между образцом и нейтронным детектором.
Магнитное рассеивание
Нейтрон имеет нулевой суммарный электрический заряд, но обладает значительным магнитным моментом, хотя и составляющим лишь около 0,1% от магнитного момента электрона. Тем не менее, этого достаточно для рассеяния на локальных магнитных полях внутри конденсированных сред, что делает его слабо взаимодействующим и, следовательно, глубоко проникающим зондом для изучения упорядоченных магнитных структур и флуктуаций электронных спинов.
Неэластичное рассеивание нейтронов
Неэластичное рассеяние нейтронов — это экспериментальная техника, обычно используемая в исследованиях конденсированного состояния для изучения атомных и молекулярных движений, а также магнитных и кристаллических полевых возбуждений. Она отличается от других методов рассеяния нейтронов тем, что позволяет определить изменение кинетической энергии, возникающее при неэластичном столкновении между нейтронами и образцом. Результаты обычно представляются в виде динамического фактора структуры (также называемого законом неэластичного рассеяния), иногда также в виде динамической восприимчивости, где вектор рассеяния является разностью между входящим и выходящим волновыми векторами, а — изменением энергии, испытываемым образцом (отрицательным по отношению к изменению энергии рассеянного нейтрона). При построении результатов в зависимости от , их часто можно интерпретировать аналогично спектрам, полученным с помощью традиционных спектроскопических методов; настолько, что неэластичное рассеяние нейтронов можно рассматривать как частный случай спектроскопии. Эксперименты по неэластичному рассеянию обычно требуют монохроматизации падающего или выходящего пучка и анализа энергии рассеянных нейтронов. Это можно осуществить с помощью методов времени пролета (рассеяние нейтронов во времени пролета) или с помощью отражения Брэгга от монокристаллов (нейтронная трехосевая спектроскопия, обратное рассеяние нейтронов). Монохроматизация не требуется в эхо-методах (нейтронно-спиновое эхо, нейтронно-резонансное спиновое эхо), которые используют квантово-механическую фазу нейтронов в дополнение к их амплитудам.
История
Первые эксперименты по нейтронной дифракции были проведены в 1930-х годах.