Нейтронның дифракциясы - Neutron diffraction

Нейтронның дифракциясы немесе нейтрондардың серпімді шашырауы қолдану болып табылады нейтрондардың шашырауы материалдың атомдық және / немесе магниттік құрылымын анықтауға дейін. Зерттелетін үлгіні пучкаға орналастырады жылу немесе суық нейтрондар материалдың құрылымы туралы ақпарат беретін дифракциялық заңдылықты алу. Техника ұқсас Рентгендік дифракция бірақ олардың әртүрлі шашырау қасиеттеріне байланысты, нейтрондар және Рентген сәулелері қосымша ақпарат беру: рентген сәулелері беткі талдауға, күшті рентгенге сәйкес келеді синхротронды сәулелену терең емес тереңдікке немесе жұқа үлгілерге, ал ену тереңдігі жоғары нейтрондар жаппай үлгілерге жарамды.^[1]

Аспаптық және үлгі талаптары

Техника нейтрондардың көзін қажет етеді. Нейтрондар әдетте а ядролық реактор немесе шашырау көзі. А зерттеу реакторы, басқа компоненттер қажет, оның ішінде а кристалды монохроматор, сондай-ақ қажетті нейтронды толқын ұзындығын таңдау үшін сүзгілер. Орнатудың кейбір бөліктері де қозғалмалы болуы мүмкін. Бөліну көзінде ұшу техникасының уақыты түскен нейтрондардың энергиясын сұрыптау үшін қолданылады (жоғары энергетикалық нейтрондар жылдамырақ), сондықтан монохроматор қажет емес, керісінше нейтрон импульсін қажетті толқын ұзындығымен сүзу үшін синхрондалған апертуралық элементтер сериясы .

Техника, әдетте, орындалады ұнтақ дифракциясы, бұл тек поликристалды ұнтақты қажет етеді. Бір кристалды жұмыс жасау да мүмкін, бірақ кристалдар бір кристалда қолданылатыннан гөрі үлкенірек болуы керек Рентгендік кристаллография. Шамамен 1 мм болатын кристалдарды қолдану әдеттегідей³.^[2]

Қорытындылай келе, нейтрондар дифракциясының басты кемшілігі - ядролық реакторға деген қажеттілік. Бір кристалды жұмыс үшін техника өсуге қиын болатын салыстырмалы түрде үлкен кристаллдарды қажет етеді. Техниканың артықшылығы көп - жарық атомдарына сезімталдық, изотоптарды ажырата білу, радиациялық зақымданудың болмауы,^[2] сонымен қатар ену тереңдігі бірнеше см^[1]

Ядролық шашырау

Барлығы сияқты кванттық бөлшектер, нейтрондар әдетте жарықпен немесе дыбыспен байланысты толқындық құбылыстарды көрсете алады. Дифракция осы құбылыстардың бірі болып табылады; бұл толқындар өлшемімен салыстыруға болатын кедергілерге тап болған кезде пайда болады толқын ұзындығы. Егер кванттық бөлшектің толқын ұзындығы жеткілікті қысқа болса, атомдар немесе олардың ядролары дифракциялық кедергілер ретінде қызмет ете алады. Реактордан шығатын нейтрондардың сәулесі баяулап, олардың жылдамдығымен дұрыс таңдалған кезде олардың толқын ұзындығы бірге жақын болады ангстрем (0.1 нанометр ), қатты материалдағы атомдар арасындағы типтік бөлу. Содан кейін мұндай сәулені дифракциялық тәжірибе жасау үшін пайдалануға болады. Кристалдық сынамаға түсіп, ол дәл солай белгіленген шектеулі бұрыштардың астында шашырайды Брагг заңы рентгендік дифракцияны сипаттайтын.

Нейтрондар мен рентген сәулелері заттармен әр түрлі әрекеттеседі. Рентген сәулелері бірінші кезекте электрон әр атомды қоршап тұрған бұлт. Рентген сәулесінің интенсивтілігіне үлесі үлкен атомдар үшін үлкенірек болады атом нөмірі (Z). Екінші жағынан, нейтрондар ядро атомның, ал дифракцияланған қарқындылыққа үлес әрқайсысына байланысты изотоп; мысалы, кәдімгі сутегі мен дейтерий әр түрлі үлес қосады. Жеңіл (төмен Z) атомдар дифракцияланған интенсивтілікке үлкен үлес қосады, тіпті үлкен Z атомдары болған жағдайда да жиі кездеседі. Шашырау ұзындығы атом санымен сызықты емес, изотоптан изотопқа дейін өзгереді. Ұқсас элемент ванадий рентген сәулелерін қатты шашады, бірақ оның ядролары нейтрондарды әрең таратады, сондықтан оны контейнер материалы ретінде жиі қолданады. Магниттік емес дифракция атомдар ядроларының орналасуына тікелей сезімтал.

Нейтрондар шашырайтын атомдардың ядролары ұсақ. Сонымен қатар, ан қажет емес атомдық фактор атомның электронды бұлтының формасын және атомның шашырау күшін сипаттау шашырау бұрышымен рентген сәулелеріндегідей түспейді. Дифрактограмма сондықтан күшті, жақсы анықталған дифракция шыңдарын жоғары бұрыштарда да көрсете алады, әсіресе тәжірибе төмен температурада жасалса. Көптеген нейтрон көздері сұйық гелийді салқындату жүйелерімен жабдықталған, олар температураны 4,2 К-ге дейін жинауға мүмкіндік береді. Жоғары бұрыш (яғни жоғары) рұқсат) ақпарат құрылымдағы атомдық позицияларды жоғары дәлдікпен анықтауға болатындығын білдіреді. Басқа жақтан, Фурье карталары (және аз дәрежеде) Фурье карталарының айырмашылығы ) нейтрондық мәліметтерден алынған, бірқатар тоқтату қателіктерінен зардап шегеді, кейде нәтижелері мағынасыз болады.

Магниттік шашырау

Нейтрондар зарядталмағанымен, олар а магниттік момент, сондықтан атомның айналасындағы электрон бұлтынан пайда болатын магниттік моменттермен өзара әрекеттеседі. Нейтронның дифракциясы микроскопияны анықтай алады магниттік құрылым материалдан.^[3]

Магниттік шашырау үшін атомдық фактор себебі бұл кішкене ядроның айналасындағы әлдеқайда үлкен электрон бұлты. Дифракциялық шыңдарға магниттік үлестің қарқындылығы жоғары бұрыштарға қарай төмендейді.

Қолданады

Нейтрондық дифракциясын анықтауға болады статикалық құрылым факторы туралы газдар, сұйықтықтар немесе қатты емес қатты денелер. Алайда көптеген эксперименттер кристалды қатты дененің құрылымына бағытталған, нейтрондық дифракцияны маңызды құралға айналдырады кристаллография.

Нейтрондық дифракция рентгенмен тығыз байланысты ұнтақ дифракциясы.^[4] Шындығында, техниканың бір кристалды нұсқасы аз қолданылады, өйткені қазіргі кезде қол жетімді нейтрондық көздер салыстырмалы түрде үлкен сынамаларды қажет етеді, ал үлкен кристаллдар көптеген материалдар үшін қиын немесе мүмкін емес. Болашақ оқиғалар бұл көріністі өзгерте алады. Деректер әдетте 1D ұнтақ дифрактограммасы болғандықтан, олар әдетте өңделеді Ритвельд нақтылау. Іс жүзінде соңғысы өз бастауын нейтрондар дифракциясынан тапты (Нидерландыдағы Петтенде) және кейінірек рентгендік дифракцияда қолдану үшін кеңейтілді.

Серпімді нейтрондардың шашырауының / дифракциясының бір практикалық қолданылуы мынада тор тұрақты туралы металдар және басқа кристалды материалдарды өте дәл өлшеуге болады. Дәл тураланған микропозициялағышпен бірге металл арқылы тор константасының картасын алуға болады. Мұны оңай түрлендіруге болады стресс материал тәжірибесі бар өріс.^[1] Бұл стресстерді талдау үшін қолданылған аэроғарыш және автомобиль екі мысал келтіруге арналған компоненттер. Жоғарғы ену тереңдігі иінді біліктер, поршеньдер, рельстер, тісті доңғалақтар ретінде үйінді бөлшектердегі қалдық кернеулерді өлшеуге мүмкіндік береді. Бұл әдіс арнайы стресс-дифрактометрлердің дамуына әкелді, мысалы ENGIN-X аспап ISIS нейтрон көзі.

Сондай-ақ, 3D құрылымы туралы дифракцияланатын кез-келген материал туралы түсінік беру үшін нейтронды дифракцияны қолдануға болады.^[5]^[6]

Басқа пайдалану - анықтау үшін сольвация нөмірі электролит ерітінділеріндегі ион жұптарының мөлшері.

Магниттік шашырау эффектісі материалдардағы магниттік моменттерді сандық анықтау, магниттік дипольдік бағдар мен құрылымды зерттеу үшін нейтрондық дифракция техникасы құрылғаннан бері қолданылады. Нейтрондар дифракциясының алғашқы қолданылуының бірі магниттік дипольді бағдарларды зерттеуде болды антиферромагниттік марганец, темір, никель және кобальт оксидтері сияқты ауыспалы металл оксидтері. Алдымен Клиффорд Шулл жүргізген бұл тәжірибелер материалды құрылымдағы магниттік дипольдердің антиферромагниттік орналасуының бар екендігін алғаш рет көрсетті.^[7] Енді нейтрондар дифракциясы жаңадан жасалған магниттік материалдарды сипаттау үшін қолданыла береді.

Сутегі, шашыраңқы және контрастты вариация

Нейтронды дифракцияны синхротронды сәулелену көзіне қарағанда төменгі ағынмен белоктар мен беттік-белсенді заттар сияқты аз атомдық материалдардың құрылымын құру үшін қолдануға болады. Себебі кейбір атом саны төмен материалдар атом салмағының жоғары материалдарымен салыстырғанда нейтрондардың өзара әрекеттесуінің көлденең қимасы жоғары болады.

Нейтрондық дифракцияның рентгендік дифракцияға қарағанда бір басты артықшылығы мынада: екіншісі сутегі (H) құрылымда, ал ядроларда ¹H және ²H (яғни Дейтерий, D) нейтрондар үшін күшті шашыратқыштар. Протондар мен дейтерондардың шашырау күші кристалдағы сутектің орнын және оның жылу қозғалыстарын нейтрондар дифракциясы арқылы үлкен дәлдікпен анықтауға болатындығын білдіреді. Құрылымдары металл гидридті кешендер мысалы, Mg₂FeH₆ нейтрондар дифракциясы арқылы бағаланды.^[8]

Нейтрондардың шашырау ұзындығы б_H = -3.7406 (11) fm ^[9] және б_Д. = 6.671 (4) fm,^[9] сәйкесінше H және D үшін қарама-қарсы белгісі бар, бұл техниканы оларды ажыратуға мүмкіндік береді. Іс жүзінде белгілі бір нәрсе бар изотоп элемент үлесі жойылатын қатынас, бұл нөлдік шашырау деп аталады.

Үлгіде салыстырмалы түрде жоғары H концентрациясымен жұмыс жасау қажет емес. Н-ядроларымен шашырау қарқындылығы үлкен серпімді емес компонентке ие, бұл шашырау бұрышынан азды-көпті тәуелсіз үлкен үздіксіз фон жасайды. Серпімді өрнек әдетте өткірден тұрады Мақтаншақ көріністер егер үлгі кристалды болса. Олар серпімді емес фонға батуға бейім. Бұл әдіс сұйық құрылымды зерттеу үшін қолданылған кезде одан да маңызды болады. Соған қарамастан, әртүрлі изотоптық қатынастағы үлгілерді дайындау арқылы әйтпесе күрделі құрылымдағы бір элементті бөлектеу үшін шашырау контрастын өзгертуге болады. Басқа элементтердің өзгеруі мүмкін, бірақ әдетте өте қымбат. Сутегі арзан және өте қызықты, өйткені ол биохимиялық құрылымдарда ерекше үлкен рөл атқарады және құрылымдық жағынан басқа жолдармен зерттеу қиын.

Тарих

Алғашқы нейтрондық дифракциялық тәжірибелер 1945 жылы басталды Эрнест О. Воллан at графиттік реакторды қолдану Емен жотасы. Ол көп ұзамай қосылды (маусым 1946)^[10] арқылы Клиффорд Шалл және олар бірге техниканың негізгі қағидаларын құрды және мұздың құрылымы және материалдардағы магниттік моменттердің микроскопиялық орналасуы сияқты мәселелерді шеше отырып, оны әртүрлі материалдарға сәтті қолданды. Осы жетістігі үшін Шуллға 1994 жылдың жартысы берілді Физика бойынша Нобель сыйлығы. (Уоллан 1984 жылы қайтыс болды). (Физика бойынша 1994 ж. Нобель сыйлығының екінші жартысы) Берт Брокхаус кезінде серпімді емес шашырау техникасын дамыту үшін Бор өзенінің нысаны туралы AECL. Бұл үш осьтік спектрометрді де ойлап тапты). Қол жеткізілген жұмыстың (1946) және Брокхауз мен Шуллға (1994) берілген Нобель сыйлығының арасындағы кідіріс оларды өнертабыстың арасындағы кешіктіруге жақындатады Эрнст Руска электронды микроскоптың (1933) бөлшектері оптика саласында - және өзінің Нобель сыйлығы (1986). Бұл өз кезегінде Пейтон Рустың ашқан жаңалықтары мен 1966 жылы Нобель сыйлығын алған 55 жылдағы рекордқа жақын.

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

^ ^а ^б ^c Материалдардағы қалдық кернеулерді нейтрондарды қолдану арқылы өлшеу, МАГАТЭ, 2003
^ ^а ^б Паула М.Бикколи, Томас Ф. Кёцлз, Артур Дж. Шульц «Бейорганикалық химик үшін бір кристалды нейтрон дифракциясы - практикалық нұсқаулық» Органикалық емес химия туралы түсініктемелер 2007 ж., 28 том, 3-38. дои:10.1080/02603590701394741
^ Магниттік материалдардың нейтронды дифракциясы / Ю. А. Изюмов, В.Е. Наиш және Р.П.Озеров; орыс тілінен Джоахим Бухнер аударған. Нью-Йорк: консультанттар бюросы, c1991.ISBN 0-306-11030-X
^ Нейтронды ұнтақтың дифракциясы Ричард М. Ибберсон және Уильям И.Ф. Дэвид, құрылымды анықтаудың 5 тарауы, ұнтақ дифракциясы туралы мәліметтер IUCr кристаллографиясы бойынша монографиялары, Оксфорд ғылыми басылымдары 2002 ж. ISBN 0-19-850091-2
^ Оджеда-мамыр, П .; Терронес, М .; Терронес, Х .; Гофман, Д .; т.б. (2007), «Нейтронды ұнтақ дифракциясы техникасы бойынша бір қабырғалы көміртекті нанотүтікшелердің шырыштығын анықтау», Алмаз және онымен байланысты материалдар, 16: 473–476, Бибкод:2007DRM .... 16..473O, дои:10.1016 / j.diamond.2006.09.019
^ Бет, К .; Профен, Т .; Нидербергер, М .; Seshadri, R. (2010), «BaTiO3 нанобөлшектеріндегі жергілікті дипольдер мен лиганд құрылымын зондтау», Материалдар химиясы, 22: 4386–4391, дои:10.1021 / см100440б
^ Шулл, Дж .; Штраузер, В.А .; Wollan, E. O. (1951-07-15). «Парамагниттік және антиферромагниттік заттардың нейтрондық дифракциясы». Физикалық шолу. Американдық физикалық қоғам (APS). 83 (2): 333–345. дои:10.1103 / physrev.83.333. ISSN 0031-899X.
^ Роберт Бау, Мэри Х. Драбнис «Нейтронды дифракциямен анықталатын метал гидридтерінің ауыспалы құрылымы» Inorganica Chimica Acta 1997, т. 259, б / 27-50. дои:10.1016 / S0020-1693 (97) 89125-6
^ ^а ^б Sears, V. F. (1992), «Нейтрондардың шашырау ұзындықтары мен қималары», Нейтрон жаңалықтары, 3: 26–37, дои:10.1080/10448639208218770
^ Шулл, Клиффорд Г. (1995-10-01). «Нейтрондардың шашырауының ерте дамуы». Қазіргі физика туралы пікірлер. Американдық физикалық қоғам (APS). 67 (4): 753–757. дои:10.1103 / revmodphys.67.753. ISSN 0034-6861.

Әрі қарай оқу

Ловси, С.В. (1984). Конденсацияланған заттардан нейтрон шашырау теориясы; 1 том: Нейтронды шашырату. Оксфорд: Clarendon Press. ISBN 0-19-852015-8.
Ловси, С.В. (1984). Конденсацияланған заттардан нейтрон шашырау теориясы; 2 том: Конденсацияланған мәселе. Оксфорд: Clarendon Press. ISBN 0-19-852017-4.
Squires, G.L. (1996). Термиялық нейтронды шашырау теориясымен таныстыру (2-ші басылым). Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications Inc. ISBN 0-486-69447-X.

Қолданбалы есептеу ұнтағы дифракциясының деректерін талдау

Жас, Р.А., ред. (1993). Rietveld әдісі. Оксфорд: Oxford University Press & Халықаралық Кристаллография Одағы. ISBN 0-19-855577-6.

Сыртқы сілтемелер

Ұлттық стандарттар институты және нейтрондық зерттеулер орталығы
Брегг заңынан нейтрон дифракциясына дейін
Нейтронды шашыратуға және муон спектроскопиясына арналған интеграцияланған инфрақұрылымдық бастама (NMI3) - нейтрондардың шашырауы және муон-спектроскопия саласындағы барлық негізгі нысандарды қоса алғанда, 12 елдің 18 серіктес ұйымдарынан тұратын еуропалық консорциум.
Фрэнк нейтрондар физикасының зертханасы туралы Ядролық зерттеулердің бірлескен институты (JINR)

[iaea-1] а ^б ^c Материалдардағы қалдық кернеулерді нейтрондарды қолдану арқылы өлшеу, МАГАТЭ, 2003

[Picc-2] а ^б Паула М.Бикколи, Томас Ф. Кёцлз, Артур Дж. Шульц «Бейорганикалық химик үшін бір кристалды нейтрон дифракциясы - практикалық нұсқаулық» Органикалық емес химия туралы түсініктемелер 2007 ж., 28 том, 3-38. дои:10.1080/02603590701394741

[3] Магниттік материалдардың нейтронды дифракциясы / Ю. А. Изюмов, В.Е. Наиш және Р.П.Озеров; орыс тілінен Джоахим Бухнер аударған. Нью-Йорк: консультанттар бюросы, c1991.ISBN 0-306-11030-X

[4] Нейтронды ұнтақтың дифракциясы Ричард М. Ибберсон және Уильям И.Ф. Дэвид, құрылымды анықтаудың 5 тарауы, ұнтақ дифракциясы туралы мәліметтер IUCr кристаллографиясы бойынша монографиялары, Оксфорд ғылыми басылымдары 2002 ж. ISBN 0-19-850091-2

[ojeda-5] Оджеда-мамыр, П .; Терронес, М .; Терронес, Х .; Гофман, Д .; т.б. (2007), «Нейтронды ұнтақ дифракциясы техникасы бойынша бір қабырғалы көміртекті нанотүтікшелердің шырыштығын анықтау», Алмаз және онымен байланысты материалдар, 16: 473–476, Бибкод:2007DRM .... 16..473O, дои:10.1016 / j.diamond.2006.09.019

[page-6] Бет, К .; Профен, Т .; Нидербергер, М .; Seshadri, R. (2010), «BaTiO3 нанобөлшектеріндегі жергілікті дипольдер мен лиганд құрылымын зондтау», Материалдар химиясы, 22: 4386–4391, дои:10.1021 / см100440б

[7] Шулл, Дж .; Штраузер, В.А .; Wollan, E. O. (1951-07-15). «Парамагниттік және антиферромагниттік заттардың нейтрондық дифракциясы». Физикалық шолу. Американдық физикалық қоғам (APS). 83 (2): 333–345. дои:10.1103 / physrev.83.333. ISSN 0031-899X.

[8] Роберт Бау, Мэри Х. Драбнис «Нейтронды дифракциямен анықталатын метал гидридтерінің ауыспалы құрылымы» Inorganica Chimica Acta 1997, т. 259, б / 27-50. дои:10.1016 / S0020-1693 (97) 89125-6

[Sears-9] а ^б Sears, V. F. (1992), «Нейтрондардың шашырау ұзындықтары мен қималары», Нейтрон жаңалықтары, 3: 26–37, дои:10.1080/10448639208218770

[10] Шулл, Клиффорд Г. (1995-10-01). «Нейтрондардың шашырауының ерте дамуы». Қазіргі физика туралы пікірлер. Американдық физикалық қоғам (APS). 67 (4): 753–757. дои:10.1103 / revmodphys.67.753. ISSN 0034-6861.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]