Neutronografia (din neutron și „graf” - scriu, de asemenea, spectroscopie neutronică ) este o metodă de difracție pentru studierea structurii atomice și/sau magnetice a cristalelor , materialelor amorfe și lichidelor folosind împrăștierea neutronilor .
Neutronul a fost descoperit de James Chadwick în 1932 și deja în 1936 s-a demonstrat indirect că, ca și alte particule elementare, prezintă proprietăți de undă și poate difracta pe rețelele cristaline. Prima lucrare in domeniul neutronografiei apartine fizicianului italian Enrico Fermi ( 1946-48 ) . Până în anii 1950, reactoarele de testare erau, de asemenea, capabile să genereze fluxuri de neutroni suficient de strălucitoare necesare pentru a efectua experimente de spectroscopie cu neutroni . Au fost de asemenea efectuate experimente similare cu experimentul Debye-Scherrer . Cu toate acestea, acestea și o serie de alte lucrări au fost fragmentare și incomplete. În special, efectul prezis teoretic al împrăștierii difuze termice [1] [2] nu a fost confirmat experimental .
În 1946, difracția directă cu neutroni a fost demonstrată pentru prima dată la Ridge sub conducerea lui Vollan Policristale naturale de clorură de sodiu , precum și apă ușoară și grea , au fost folosite ca țintă . În același an, Clifford Schull [3] [4] s- a alăturat acestui grup . În 1949, și-au îmbunătățit semnificativ configurația prin atașarea unui al doilea spectrometru la ieșire , conceput special pentru detectarea neutronilor (primul a fost convertit dintr-un spectrometru cu raze X) și, de asemenea, folosind plăci de indiu pentru înregistrarea fotografică a fasciculelor de neutroni. Acest lucru le-a permis să obțină pentru prima dată Lauegrama de neutroni [5] [6] .
În 1951, lucrările privind studiul sistematic al difracției neutronilor au început la Chalk River Laboratory ( Canada ). Acolo, în 1952, sub conducerea lui Bertram Brockhouse , a fost dezvoltat primul spectrometru de neutroni cu trei axe, care a făcut posibilă realizarea unei descoperiri în spectroscopia neutronică. Adevărat, în acest moment, a avut loc un accident la reactorul NRX pe care îl foloseau iar fost reluate abia în 1954 În acești doi ani, totuși, au fost cultivate lingouri mari monocristaline de aluminiu și plumb, ceea ce a făcut posibilă crearea unui monocromator și spectrometru-analizator cu caracteristici unice. Proiectarea cu succes a spectrometrului și noile tehnologii au făcut posibilă obținerea unui număr mare de rezultate complet noi într-un timp scurt [7] [8] .
În 1994, aceste lucrări au primit Premiul Nobel pentru Fizică , acordat lui K. Schall și B. Brockhaus (E. Vollan nu a primit premiul, deoarece a murit în 1984).
În scopul spectrometriei cu neutroni, sunt utilizați de obicei neutroni termici cu energii de la 0,001 eV până la câteva zecimi de eV, obținuți în reactoare nucleare . Astfel de neutroni au lungimi de undă de Broglie care variază de la zecimi de angstrom până la 10 angstrom. Această alegere se datorează faptului că energiile caracteristice nivelurilor cuantice din mediile condensate se încadrează în acest interval de energie. În acest caz , lungimea de undă a neutronilor este egală în ordinea mărimii cu distanța interatomică. De asemenea, este norocos că neutronii cu o astfel de energie pot pătrunde cu ușurință la adâncimi considerabile în majoritatea materialelor fără a le distruge [9] [10] .
Obiectul studiat este iradiat cu un fascicul de neutroni, care este împrăștiat pe atomii substanței. Imprăștirea este înregistrată folosind spectrometre cu neutroni, care măsoară intensitatea împrăștierii neutronilor în funcție de unghiul de difracție, în mod similar cu difractometria cu raze X. Pe baza spectrelor de difracție obținute se reface structura atomică a obiectului studiat.
Energia neutronilor dintr-un fascicul este de obicei măsurată fie prin măsurarea lungimii de undă de Broglie a neutronilor prin difracția lor pe un rețea monocristal, fie prin timpul zborului lor printr-un interval de lungime cunoscută. Prima metodă, totuși, dă o eroare suplimentară asociată cu trecerea de la unghiul de reflexie la lungimea de undă prin transformarea Bragg. În același timp, aceste metode sunt foarte diferite din punct de vedere tehnic și din punct de vedere al înființării unui experiment [11] [12] .
Încă două metode de măsurare a energiei neutronilor dintr-un fascicul sunt utilizate mai rar. În prima dintre ele, numită „Filter-chopper” ( ing. fliter-chopper ) sau „Cold neutron” ( ing. neutron rece ), se folosesc filtre policristaline speciale, de obicei realizate din beriliu metalic. Acest filtru filtrează toți neutronii cu o lungime de undă mai mică decât o anumită lungime de undă (lungimile de undă mai mari pur și simplu nu experimentează împrăștierea Bragg și trec prin filtru nestingherite). Neutronii împrăștiați sunt apoi analizați prin metoda fly-by. Metoda inversă este metoda „filtru-detector” sau „ detector de beriliu” , în care numai cei mai lenți neutroni sunt înregistrați folosind difracția cu cristale [13] [14] .
Pentru o măsurare mai detaliată a spectrului de neutroni, sunt utilizate metode mai sofisticate. De exemplu, metoda de adsorbție se bazează pe faptul că nucleele diferitelor elemente chimice au dependențe diferite ale secțiunii transversale de captare a neutronilor de energia lor. Întrucât toate aceste secțiuni transversale sunt bine cunoscute, o serie succesivă de absorbante realizate din diferite substanțe face posibilă măsurarea spectrului neutronilor [13] [14] .
O descoperire semnificativă a fost dezvoltarea tehnologiei spectrometrului cu neutroni triaxiali. Proba studiată a fost așezată pe o masă, care s-ar putea deplasa pe direcția de propagare a unui fascicul de neutroni „monocromatic”, obținut ca urmare a difracției Bragg a neutronilor pe un singur cristal și a eliminării celor în exces prin difracție. Al doilea monocromator acționează ca un analizor spectrometru și se poate mișca ca întreg. Această tehnologie a făcut relativ ușor măsurarea dependenței secțiunii transversale de împrăștiere de energia neutronilor și unghiul său de împrăștiere într-o gamă largă de parametri [7] [8] .
Atunci când interpretăm spectrele de difracție cu neutroni, se folosește teoria geometrică a difracției , care este aplicabilă și difracției de electroni și raze X. Fiecare dintre aceste radiații are o interacțiune specifică cu materia, care le determină domeniul de aplicare.
Imprăștirea neutronilor are loc pe nucleele atomilor, ceea ce duce la absența unei dependențe sistematice a amplitudinii de împrăștiere de numărul ordinal al elementului chimic , în contrast cu împrăștierea electronilor și a razelor X. Acest lucru permite ca neutronografia să fie utilizată pentru a determina poziția atomilor elementelor învecinate în Tabelul Periodic .
Amplitudinea de împrăștiere a neutronilor atomilor ușori (cu un număr mic de sarcină) este comparabilă cu amplitudinea de împrăștiere a atomilor grei, ceea ce face ca neutronii indispensabili în determinarea poziției atomilor de hidrogen în hidrurile metalice, carbonul în carburile metalice etc.
Unele nuclee împrăștie unde de neutroni în fază, ceea ce și-a găsit aplicație în metoda matricei zero , atunci când o astfel de compoziție este selectată astfel încât amplitudinea totală de împrăștiere a atomilor dintr-una dintre subrețele să fie egală cu zero. În acest caz, împrăștierea va avea loc numai dintr-o altă subrețea, iar dacă aceștia sunt atomi de elemente ușoare, determinarea coordonatelor acestora în celula unitară este mult simplificată.
Deoarece amplitudinea de împrăștiere a neutronilor nu depinde de unghiul de împrăștiere, aceștia pot fi utilizați pentru a studia structura atomică a lichidelor și a materialelor amorfe.
Prezența unui moment magnetic într-un neutron duce la faptul că aceștia se împrăștie datorită interacțiunii atât cu nucleele atomice, cât și cu învelișurile de electroni având momente magnetice. Prin urmare, neutronii sunt singurul instrument pentru studierea ordinii magnetice la magneți, unde există o corelație între direcțiile momentelor magnetice . Astfel, datorită neutronografiei magnetice, au fost descoperite noi clase de materiale magnetice - antiferomagneți și ferimagneți .