Нейтронография

Нейтроногра́фия (от нейтрон и «граф» — пишу) — дифракционный метод изучения атомной и/или магнитной структуры кристаллов, аморфных материалов и жидкостей с помощью рассеяния нейтронов.

История метода

Первые работы в области нейтронографии принадлежат итальянскому физику Энрико Ферми (1946—48). Основы метода, включая конструирование приборов для регистрации дифракции нейтронов, были разработаны американскими физиками Клиффордом Шаллом, Бертрамом Брокхаузом и Эрнестом Волланом (англ. Ernest Wollan) в Национальной лаборатории Оук-Ридж в конце 1940-х — начале 1950-х годов. За эти работы К.Шалл и Б. Брокхауз в 1994 году получили Нобелевскую премию по физике (Э.Воллан не дожил до премии).

Описание метода

Схематическое изображение нейтронного дифрактометра

Для получения дифракционных спектров используются тепловые нейтроны, получаемые в ядерных реакторах. Так как характерные межатомные расстояния в твердых и жидких телах составляют порядка 1 Å, дифракция возможна, если используемые нейтроны имеют энергию порядка 0,06 эВ, что соответствует длине волны излучения порядка 1 Å.

Исследуемый объект облучается пучком нейтронов, который рассеивается на атомах вещества. Для регистрации рассеяния используются нейтронные спектрометры, при помощи которых измеряется интенсивность рассеяния нейтронов в зависимости от угла дифракции, аналогично рентгеновской дифрактометрии. По полученным дифракционным спектрам восстанавливается атомная структура исследуемого объекта.

Применение

Нейтронограмма дейтерида ниобия Nb₄D₃

При интерпретации нейтронных дифракционных спектров пользуются геометрической теорией дифракции, применимой также и к дифракции электронов и рентгеновских лучей. Каждое из этих излучений имеет специфику взаимодействия с веществом, что определяет их область применения.

Рассеяние нейтронов происходит на ядрах атомов, что приводит к отсутствию систематической зависимости амплитуды рассеяния от порядкового номера химического элемента, в отличие от рассеяния электронов и рентгеновских лучей. Это позволяет использовать нейтронографию для определения положения атомов элементов-соседей в Периодической системе.

Амплитуда рассеяния нейтронов легких атомов (с маленьким зарядовым числом) сравнима с амплитудой рассеяния тяжелых атомов, что делает нейтроны незаменимыми при определении положения атомов водорода в гидридах металлов, углерода в карбидах металлов и т. п.

Некоторые ядра рассеивают нейтронные волны в фазе, что нашло применение в методе нулевой матрицы, когда подбирается такой состав, чтобы суммарная амплитуда рассеяния атомов одной из подрешёток была равна нулю. В этом случае рассеяние будет происходить только лишь от другой подрешётки и если это — атомы лёгких элементов, определение их координат в элементарной ячейке значительно упрощается.

Поскольку амплитуда рассеяния нейтронов не зависит от угла рассеяния, их можно использовать для изучения атомной структуры жидкостей и аморфных материалов.

Наличие у нейтрона магнитного момента приводит к тому, что они рассеиваются вследствие взаимодействия и с атомными ядрами, и с имеющими магнитные моменты электронными оболочками. Поэтому нейтроны являются единственным инструментом для изучения магнитного упорядочения в магнетиках, где имеется корреляция между направлениями магнитных моментов. Так, благодаря магнитной нейтронографии были обнаружены новые классы магнитных материалов — антиферромагнетики и ферримагнетики.

См. также

• Кристаллохимия
• Рентгеноструктурный анализ
• Электронография

Источники

• Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков, А. Н. Иванов, Л. Н. Расторгуев. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — 1-е изд. — М.: Металлургия, 1982. — С. 302-313. — 632 с. — ISBN 5-09-002630-0

Ссылки

• Нейтронография — статья из Большой советской энциклопедии.

Для улучшения этой статьи желательно?: Проставив сноски, внести более точные указания на источники.