Neutronenstreuung

Neutronenstreuung, die unregelmäßige Verbreitung von frei Neutronen Durch Materie können sich entweder auf den natürlich vorkommenden physikalischen Prozess selbst oder auf die von Menschen hergestellten experimentellen Techniken beziehen, die den natürlichen Prozess zur Untersuchung von Materialien verwenden. Das natürliche/physikalische Phänomen ist in elementarer Bedeutung in Nuklearwissenschaft und die Atomwissenschaften. In Bezug auf die experimentelle Technik ist das Verständnis und die Manipulation der Neutronenstreuung für die verwendeten Anwendungen von grundlegender Bedeutung Kristallographie, Physik, physikalische Chemie, Biophysik, und Materialforschung.

Neutronenstreuung wird bei praktiziert Forschungsreaktoren und Spallation Neutronenquellen, die liefern Neutronenstrahlung variieren Intensität. Neutronenbeugung (elastische Streuung) Techniken werden zur Analyse von Strukturen verwendet; wo Unelastische Neutronenstreuung wird bei der Untersuchung von Atomic verwendet Vibrationen und andere Anregungen.

Streuung schneller Neutronen

"Schnelle Neutronen" (siehe Neutronentemperatur) eine kinetische Energie über 1 habenMev. Sie können durch kondensierte Materie verstreut werden - nuclei mit kinetischen Energien weit unter 1 EV - als gültige experimentelle Näherung von einem elastische Kollision mit einem Teilchen in Ruhe. Mit jeder Kollision überträgt das schnelle Neutronen einen signifikanten Teil seiner kinetischen Energie in den Streukern (kondensierte Materie), desto leichter der Kern. Und bei jeder Kollision wird das "schnelle" Neutron verlangsamt, bis es mit dem Material, in dem es verstreut ist, ein thermisches Gleichgewicht erreicht.

Neutronenmoderatoren werden verwendet, um zu produzieren Thermische Neutronen, die kinetische Energien unter 1 eV (t <500k) haben.^[1] Thermische Neutronen werden verwendet, um eine Kernkettenreaktion in a aufrechtzuerhalten Kernreaktorund als Forschungsinstrument in Neutronenstreuungsexperimenten und anderen Anwendungen der Neutronenwissenschaft (siehe unten). Der Rest dieses Artikels konzentriert sich auf die Streuung von thermischen Neutronen.

Neutronen-Materie-Wechselwirkung

Da Neutronen elektrisch neutral sind, dringen sie tiefer in Materie ein als elektrisch geladene Partikel mit vergleichbarer kinetischer Energie und sind daher als Sonden der Masseneigenschaften wertvoll.

Neutronen interagieren mit Atomkern und mit Magnetfeldern von ungepaarten Elektronen, was zu ausgeprägtem Ursachen führt Interferenz und Energieübertragung Effekte in Neutronenstreuungsexperimenten. Im Gegensatz zu einem Röntgen Photon mit einer ähnlichen Wellenlänge, die mit dem interagiert Elektronen Wolke umgeben die Kern, Neutronen interagieren hauptsächlich mit dem Kern selbst, wie beschrieben von Fermis Pseudopotential. Neutronenstreuung und Absorption Querschnitte variieren stark von Isotop zu Isotope.

Eine Neutronenstreuung kann je nach Isotop inkohärent oder kohärent sein. Unter allen Isotopen hat Wasserstoff den höchsten Streuquerschnitt. Wichtige Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff sind in der Neutronenstreuung ziemlich sichtbar - dies steht in deutlichem Kontrast zu Röntgenstreuung wobei die Querschnitte systematisch mit der Atomzahl zunehmen. Somit können Neutronen verwendet werden, um Materialien mit niedrigen Atomzahlen, einschließlich Proteinen und Tensiden, zu analysieren. Dies kann bei Synchrotronquellen erfolgen, aber es sind sehr hohe Intensitäten erforderlich, was dazu führen kann, dass sich die Strukturen ändern. Der Kern bietet einen sehr kurzen Bereich, da das isotrope Potential von Isotop zu Isotop zufällig variiert, was es ermöglicht, den (Streu-) Kontrast zum Experiment zu stimmen.

Die Streuung zeigt fast immer sowohl elastische als auch unelastische Komponenten. Der Anteil der elastischen Streuung wird durch die bestimmt Debye-Waller-Faktor oder der Mössbauer-lamb-Faktor. Abhängig von der Forschungsfrage konzentrieren sich die meisten Messungen entweder auf elastische oder unelastische Streuung.

Eine präzise Geschwindigkeit erreichen, d. H. Eine präzise Energie und De Broglie -Wellenlängeeines Neutronenstrahls ist wichtig. Solche Einergiestrahlen werden als "monochromatisch" bezeichnet, und die Monochromatizität wird entweder mit einem Kristallmonochromator oder mit einem erreicht Flugzeit (TOF) Spektrometer. In der Flugzeit werden Neutronen durch eine Abfolge von zwei rotierenden Schlitzen gesendet, so dass nur Neutronen einer bestimmten Geschwindigkeit ausgewählt werden. Es wurden Spallationsquellen entwickelt, die einen schnellen Neutronenpuls erzeugen können. Der Impuls enthält Neutronen vieler unterschiedlicher Geschwindigkeiten oder De -Broglie -Wellenlängen, aber getrennte Geschwindigkeiten der gestreuten Neutronen können bestimmt werden danach Durch Messung des Flugzeits der Neutronen zwischen der Probe und dem Neutronendetektor.

Magnetische Streuung

Das Neutron hat eine elektrische Nettoladung von Null, hat aber eine signifikante magnetisches Moment, obwohl nur etwa 0,1% der der der Elektron. Trotzdem ist es groß genug, um aus lokalen Magnetfeldern innerhalb kondensierter Substanz zu streuen, was eine schwach interagierende und damit durchdringende Sonde von geordneten Magnetstrukturen und Elektronenspinschwankungen liefert.^[2]

Unelastische Neutronenstreuung

Generisches Layout eines unelastischen Neutronenstreuungsexperiments

Unelastische Neutronenstreuung

Unelastische Neutronenstreuung ist eine experimentelle Technik, die üblicherweise in verwendet wird Kondensatforschung Atom- und molekulare Bewegung sowie magnetische und kristallfelde Anregungen zu untersuchen.^[3]^[4] Es unterscheidet sich von anderen Neutronenstreutechniken, indem es die Änderung der kinetischen Energie auflöst, die auftritt, wenn die Kollision zwischen Neutronen und Probe unelastisch ist. Ergebnisse werden im Allgemeinen als die kommuniziert Dynamischer Strukturfaktor (auch als inelastisches Streugesetz bezeichnet) ${\ displayStyle s (\ mathbf {q}, \ Omega)}$ manchmal auch als dynamische Anfälligkeit ${\ displaystyle \ chi ^{\ prime \ prime} (\ mathbf {q}, \ omega)}$ wo der Streuvektor ${\ displaystyle \ mathbf {q}}$ ist der Unterschied zwischen eingehender und kontaktfreudig Wellenvektor, und ${\ displayStyle \ hbar \ Omega}$ ist die Energieänderung der Stichprobe (negativ die des verstreuten Neutrons). Wenn die Ergebnisse als Funktion von dargestellt werden ${\ displayStyle \ Omega}$ Sie können oft auf die gleiche Weise interpretiert werden wie Spektren, die von konventionell erhalten wurden spektroskopisch Techniken; Im Falle einer unelastischen Neutronenstreuung kann als spezielle Spektroskopie angesehen werden.

Inelastische Streuexperimente erfordern normalerweise a Monochromatisierung des einfallenden oder ausgehenden Strahls und einer Energieanalyse der verstreuten Neutronen. Dies kann entweder durch Flugzeittechniken durchgeführt werden (Neutronen-Flugzeitstreuung) oder durch Bragg reflection aus Einzelkristallen (Neutronen-Triple-Achse-Spektroskopie, Neutronen -Rückstreuung). Monochromatisierung ist in Echo -Techniken (Neutronenspin Echo, Neutronenresonanzspin Echo), die die Quantenmechanik verwenden Phase der Neutronen zusätzlich zu ihren Amplituden.

Geschichte

Die ersten Neutronenbeugungsversuche wurden in den 1930er Jahren durchgeführt.^[1] Es war jedoch erst um 1945 mit dem Aufkommen von Kernreaktoren so hoch Neutronenflüsse wurde möglich und führte zu der Möglichkeit einer eingehenden Strukturuntersuchungen. Die ersten Instrumente der Neutronenstreuung wurden in Strahlröhrchen bei Mehrzweck-Forschungsreaktoren installiert. In den 1960er Jahren wurden Hochflux-Reaktoren gebaut, die für Strahlrohrexperimente optimiert wurden. Die Entwicklung gipfelte im High-Flux-Reaktor des Institut LAUE-LANGEVIN (in Betrieb seit 1972), das bis zu diesem Datum den höchsten Neutronenfluss erreichte. Neben einigen Quellen mit hoher Flux gab es an Universitäten und anderen Forschungsinstituten etwa zwanzig Reaktorquellen mit mittlerem Flux. Ab den 1980er Jahren wurden viele dieser mittleren Fluxquellen geschlossen, und die Forschung konzentrierte sich auf einige weltweit führende Hochfluxquellen.

Einrichtungen

Heutzutage werden die meisten Neutronenstreuungsexperimente von Forschungswissenschaftlern durchgeführt, die Beamtime in Neutronenquellen durch ein formelles Vorschlagsverfahren beantragen. Aufgrund der niedrigen Zählraten, die an Neutronenstreuungsexperimenten beteiligt sind, sind in der Regel relativ lange Zeiträume der Strahlzeit (nach der Reihenfolge der Tage) für verwendbare Datensätze erforderlich. Vorschläge werden auf Machbarkeit und wissenschaftliches Interesse bewertet.^[5]

Techniken

Neutronenbeugung
Unelastische Neutronenstreuung

Siehe auch

Verweise

^ ^a ^b Lüth, Harald Ibach, Hans (2009). Festkörperphysik: Eine Einführung in die Prinzipien der Materialwissenschaft (4. ausführlich aktualisiert und vergrößert auf Ed.). Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-93803-3.
^ Zaliznyak, Igor A.; Lee, Seung-Hun (2004), Magnetische Neutronenstreuung
^ G l Squires Einführung in die Theorie der thermischen Neutronenstreuung Dover 1997 (Nachdruck?)
^ Taylor, Andrew Dawson (1976). Inelastische Neutronenstreuung durch chemische Geschwindigkeitsprozesse. ox.ac.uk (DPHIL -These). Universität von Oxford. OCLC 500576530. Ethos uk.bl.ethos.474621.
^ "Wie man einen Vorschlag einreicht". Neutronenwissenschaften bei Ornl. Oak Ridge National Laboratory. Abgerufen 12. Mai, 2022.

Externe Links

[ibach-1] Lüth, Harald Ibach, Hans (2009). Festkörperphysik: Eine Einführung in die Prinzipien der Materialwissenschaft (4. ausführlich aktualisiert und vergrößert auf Ed.). Berlin: Springer. ISBN 978-3-540-93803-3.

[Zaliznyak-2] Zaliznyak, Igor A.; Lee, Seung-Hun (2004), Magnetische Neutronenstreuung

[3] G l Squires Einführung in die Theorie der thermischen Neutronenstreuung Dover 1997 (Nachdruck?)

[PhD-474621-4] Taylor, Andrew Dawson (1976). Inelastische Neutronenstreuung durch chemische Geschwindigkeitsprozesse. ox.ac.uk (DPHIL -These). Universität von Oxford. OCLC 500576530. Ethos uk.bl.ethos.474621.

[5] "Wie man einen Vorschlag einreicht". Neutronenwissenschaften bei Ornl. Oak Ridge National Laboratory. Abgerufen 12. Mai, 2022.

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