Большая Советская Энциклопедия (цитаты)

Нейтронография

Нейтронография (далее Н) (от нейтрон и ...графия), метод изучения строения молекул, и жидкостей с помощью рассеяния нейтронов. Сведения об и магнитной структуре получают из экспериментов по дифракции нейтронов (см. Дифракция частиц), о тепловых колебаниях в молекулах и - из экспериментов по рассеянию нейтронов, при котором нейтроны обмениваются энергией с изучаемым объектом (рассеяние в этом случае называется неупругим). Первые работы в области Н принадлежат в основном Э. Ферми (1946-48); главные принципы Н были впервые изложены в 1948 в обзоре американских ученых Э. Уоллана и К. Шалла.

  Нейтронографический эксперимент осуществляется на пучках нейтронов, выпускаемых из ядерных реакторов (предполагается использование для целей Н ускорителей электронов со специальными мишенями). На рис. 1, а приведена типичная установка для нейтронографических исследований. Нейтронографическая аппаратура (дифрактометры, нейтронные спектрометры разных типов и т.д.) размещается в непосредственной близости от реактора на пути нейтронных пучков. Плотность потока нейтронов в пучках самых мощных реакторов на несколько порядков меньше плотности потока квантов рентгеновской трубки, поэтому нейтронографическая аппаратура, нейтронографический эксперимент сложны; по этой же причине используемые в Н образцы существенно крупнее, чем в рентгенографии. Эксперименты могут проводиться в широком интервале температур (от 1 до 1500 К и выше), давлений, полей и др.

  На рис. 1, б приведена нейтронограмма поликристаллического образца 3 (зависимость интенсивности рассеяния нейтронов от угла рассеяния J). Нейтронограмма представляет собой совокупность максимумов когерентного ядерного или рассеяния (см. ниже) на фоне диффузного рассеяния.

  Успешное использование Н обусловлено удачным сочетанием свойств нейтрона как элементарной частицы. Современные источники нейтронов - ядерные реакторы - дают тепловые нейтроны широкого диапазона энергий с максимумом в области 0,06 эв. Соответствующая этой энергии де-бройлевская длина волны нейтронов (~ 1 ) соизмерима с величиной межатомных расстояний в молекулах и что делает возможным осуществление дифракции нейтронов в на этом основан метод структурной нейтронографии. Соизмеримость энергии тепловых нейтронов с энергией тепловых колебаний и молекулярных групп в и жидкостях обеспечивает оптимальное использование неупругого рассеяния нейтронов в нейтронной спектроскопии. Наличие у нейтрона момента, который может взаимодействовать с моментами в позволяет осуществить дифракцию нейтронов на что является основой нейтронографии.

  Структурная нейтронография - один из основных современных методов структурного анализа (вместе с рентгеновским структурным анализом и электронографией). Геометрическая теория дифракции всех трех излучений - рентгеновских лучей, электронов, нейтронов - одинакова, но физическая природа взаимодействия их с веществом различна, что определяет специфику и области применения каждого из методов. Рентгеновские лучи рассеиваются электронными оболочками нейтроны (через короткодействующие ядерные силы) - ядрами, электроны - электрическим потенциалом Вследствие этого структурная Н имеет ряд особенностей. Рассеивающая способность характеризуется амплитудой рассеяния f. Особый характер взаимодействия нейтронов с ядрами приводит к тому, что амплитуда рассеяния нейтронов fн (обычно ее обозначают буквой b) для различных элементов (в отличие от f рентгеновских лучей) несистематическим образом зависит от порядкового номера Z элемента в периодической системе. В частности, рассеивающие способности легких и тяжелых элементов оказываются одного порядка. Поэтому изучение структуры соединений легких элементов с тяжелыми является специфической областью структурной Н Прежде всего это относится к соединениям, содержащим легчайший элемент - Рентгенографически и электронографически в некоторых благоприятных случаях удается определить положение в его соединений с др. легкими (с Z £ 30). Нейтронографически определение положения не сложнее, чем большинства др. элементов, причем существенная методическая выгода достигается заменой в изучаемой молекуле на его изотоп - дейтерий. С помощью Н определена структура большого числа органических соединений, гидридов и уточнена структура различных модификаций льда, сегнетоэлектриков и т.д., что дало ряд новых данных для развития
  Др. область оптимального использования Н - исследование соединений элементов с близкими Z (для рентгеновских лучей такие элементы практически неразличимы, так как их электронные оболочки содержат почти одинаковые числа электронов), например соединений типа шпинели 24, сплавов -- и др. Предельный случай - исследование соединений разных изотопов данного элемента, которые рентгенографически абсолютно неразличимы, а для нейтронов различаются так же, как разные элементы.

  В структурной Н из эксперимента находят интенсивности максимумов когерентного рассеяния l (hkl) (где h, k, - индексы Миллера), связанные со структурными амплитудами (hkl) определенными соотношениями (см. Рентгеновский структурный анализ). Далее с помощью рядов Фурье, коэффициенты которых являются величины (hkl), строится функция ядерной плотности r(x, у, z). Суммирование рядов (как и большинство др. вычислений в структурном анализе) осуществляется на быстродействующих ЭВМ по специальным программам. Максимумы функции r(x, у, z) соответствуют положениям ядер
  Для примера на рис. 2, а приведена проекция ядерной плотности части элементарной ячейки витамина 12; на этой проекции центральный ядра молекулы - - имеет минимальное значение b (является самым "легким") по сравнению с остальными ( и даже вследствие чего оказывается возможной более точная локализация всех На рис. 2, б приведена ядерная плотность в концевой метильной группе 3; четко выявляются на рис. в виде минимумов, что связано с отрицательным значением b для протонов.

  Имеются некоторые различия в природе результатов, получаемых рентгено- и нейтронографически: в первом случае экспериментально определяется положение центра тяжести электронного облака во втором - центра тяжести центроида тепловых колебаний ядра. В некоторых прецизионных экспериментах это приводит к различию в межатомных расстояниях, полученных методами рентгенографии и Н С др. стороны, такое различие может быть использовано в исследовании распределения деталей электронной плотности в молекулах и ответственных за ковалентную химическую связь (рис. 3), неподеленную пару электронов и др.

  Нейтронная спектроскопия. Близкие значения энергии тепловых нейтронов и энергии тепловых колебаний в позволяют измерять последнюю в экспериментах по неупругому рассеянию нейтронов с высокой точностью. В этом случае часть энергии нейтрона при взаимодействии передается молекуле или возбуждая колебания того или иного типа; возможен и обратный процесс передачи энергии от нейтрону. Различают неупругое когерентное и некогерентное рассеяния нейтронов. Когерентное неупругое рассеяние медленных нейтронов определяется динамикой всех частиц и может рассматриваться как столкновение нейтрона с коллективными тепловыми колебаниями решетки - фононами, при котором энергия и импульс (точнее, квазиимпульс) сталкивающихся частиц сохраняются. Эксперименты по неупругому когерентному рассеянию нейтронов на монокристаллах исследуемого соединения дают поэтому полную информацию о фононах в - фононные дисперсионные кривые, что недоступно др. методам исследований. На рис. 4 приведены дисперсионные кривые фононов (акустические и оптические ветви; см. Колебания кристаллической решетки) в для двух направлений. Совпадение экспериментальных результатов с расчетами, сделанными на основе определенной теоретической модели, говорит о справедливости модели, а также позволяет вычислить ряд параметров силового межатомного взаимодействия.

  При некогерентном неупругом рассеянии нейтроны рассеиваются отдельными ядрами однако, вследствие сильной связи ядер в решетке остальные ядра оказывают влияние на рассеяние медленных нейтронов, так что и в этом случае в рассеянии принимает участие весь коллектив частиц. Поэтому такое рассеяние можно также рассматривать как нейтрон-фононное столкновение, при котором, однако, сохраняется лишь энергия сталкивающихся частиц, а их импульс не сохраняется. Эксперименты по неупругому некогерентному рассеянию медленных нейтронов на моно- и поликристаллических образцах позволяют получить фононный спектр По сравнению с др. методами (в первую очередь оптическими) нейтронная спектроскопия дает возможность проводить исследования в широком диапазоне волновых векторов и спуститься до очень малых частот (~20 см-1); кроме того, рассеяние не ограничено в этом случае правилами отбора -- в нейтронном эксперименте все колебания активны. Большое сечение некогерентного рассеяния нейтронов протонами делает и в этом случае соединения хорошим объектом таких исследований. Некоторые сведения могут быть получены и о динамике жидкостей и аморфных тел (времена релаксации, подвижность и др.).

  нейтронография. некоторых элементов (переходных металлов, редкоземельных элементов и обладают ненулевым спиновым и (или) орбитальным моментом. Ниже определенной критической температуры моменты этих в чистых металлах или в соединениях устанавливаются упорядоченно - возникает упорядоченная структура (рис. 5). Это существенным образом влияет на свойства магнетика. Н - практически единственный метод обнаружения и исследования структуры металлов. Наличие упорядочения обнаруживается обычно по появлению на нейтронограммах на фоне ядерного рассеяния дополнительных максимумов когерентного рассеяния, интенсивность которых зависит от температуры. По положению этих максимумов и их интенсивности можно определить тип структуры и величину момента В экспериментах с монокристаллами можно, кроме того, установить абсолютное направление моментов в и построить распределение спиновой плотности (т. е. плотности той части электронов, спин которых не скомпенсирован в пределах одного в элементарной ячейке На рис. 6, а представлена спиновая плотность 3d-электронов в элементарной ячейке Небольшая асферичность в распределении спиновой плотности становится ярко выраженной, если из общей картины вычесть сферически-симметричную часть (рис. 6, б). Форма максимумов спиновой плотности позволяет сделать определенные выводы о строении электронной оболочки в В частности, вытянутость максимумов вдоль осей куба показывает, что из двух возможных d-подуровней eg и t2g (возникающих в результате снятия вырождения в поле в данном случае преимущественно заполнен eg-подуровень. На рис. 6, в дано полученное в специальных нейтронных измерениях распределение намагниченности в элементарной ячейке вызванной частичной поляризацией 4s-электронов (как показали нейтронографические измерения, 4s-электроны дают некоторый вклад в свойства наряду с 3d-электронами). Неупругое когерентное рассеяние нейтронов дает возможность исследовать динамическое состояние т. е. элементарные возбуждения в таких (спиновые волны, или магноны).

  Метод Н позволяет решать широкий круг вопросов, относящихся к различным проблемам структуры вещества, например, проводить исследование строения биополимеров, аморфных тел, микроструктуры специальных сплавов, изучать фазовые переходы и др.

  Лит.: Бэкон Дж., Диффракция нейтронов, пер. с англ., М., 1957; Изюмов Ю. А., Озеров Р. П., нейтронография, М., 1966; Гуревич И. И., Гарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергии, М., 1965; Рассеяние тепловых нейтронов, под ред. П. Игельстаффа, пер. с англ., М., 1970; Marshall ., Lovesey ., The theory of thermal neutron scattering. The use of neutrons for the investigation of condensed matter, Oxf., 1971.

  Р. П. Озеров.

Рис. 2. а - ядерная плотность в элементарной ячейке  витамина <sub>12</sub> (полученная по методу синтеза Фурье). Центральный максимум, соответствующий  Со, в связи с его малой  амплитудой рассеяния выражен слабо. Это позволяет более точно определять положение в ячейке легких  -   и  б - ядерная плотность в периферийной группе <sub>3</sub>. Ядерная плотность для   приведена пунктиром в соответствии с отрицательной  амплитудой
Рис. 2. а - ядерная плотность в элементарной ячейке витамина 12 (полученная по методу синтеза Фурье). Центральный максимум, соответствующий Со, в связи с его малой амплитудой рассеяния выражен слабо. Это позволяет более точно определять положение в ячейке легких - и б - ядерная плотность в периферийной группе 3. Ядерная плотность для приведена пунктиром в соответствии с отрицательной амплитудой
Рис. 1б - нейтронограмма поликристаллического образца <sub>3</sub>.
Рис. 1б - нейтронограмма поликристаллического образца 3.


Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска


Новости 28.06.2022 21:27:34