Структурная нейтронография

Министерством образования  и науки Российской Федерации

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физики твердого тела

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по курсу ФМИТТ

 

Тема:

 

СТРУКТУРНАЯ НЕЙТРОНОГРАФИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………………...3

Структурная нейтронография……………………………………………………4

Техника эксперимента……………………………………………………………7

Области применения нейтронографии……...…………………………………...9

Список литературы………………………………………………………………12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Нейтронография – метод изучения строения молекул, кристаллов и жидкостей с помощью рассеяния нейтронов. Сведения об атомной и магнитной структуре кристаллов получают из экспериментов по дифракции нейтронов, о тепловых колебаниях атомов в молекулах и кристаллах — из экспериментов по рассеянию нейтронов, при котором нейтроны обмениваются энергией с изучаемым объектом (рассеяние в этом случае называется неупругим). Первые работы в области нейтронографии принадлежат в основном Э. Ферми (1946—48); главные принципы были впервые изложены в 1948 в обзоре американских учёных Э. Уоллана и К. Шалла.

 

Нейтронография не может полностью заменить рентгеноструктурный анализ, так как уступает последнему по разрешающей способности, но в некоторых случаях позволяет получить данные, которые не могут быть получены с помощью рентгеноструктурного анализа. Поэтому структурная нейтронография уже давно заняла прочные позиции в ряду других методов изучения кристаллической структуры. Появление в последние годы высокопоточных атомных реакторов, автоматических нейтронных дифрактометров, управляемых ЭВМ, а также комплексов специальных машинных программ обработки нейтронодифракционных данных необычайно расширило возможности нейтронографии и обусловлило резкое возрастание интереса к ней со стороны физиков, химиков, биологов, металлургов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СТРУКТУРНАЯ НЕЙТРОНОГРАФИЯ

 

Структурная нейтронография — один из основных современных  методов структурного анализа кристаллов (вместе с рентгеновским структурным анализом и электронографией). Геометрическая теория дифракции всех трёх 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 атомов, нейтроны (через короткодействующие ядерные силы) — атомными ядрами, электроны — электрическим потенциалом атомов. Вследствие этого структурная нейтронография имеет ряд особенностей. Рассеивающая способность атомов характеризуется атомной амплитудой рассеяния f. Особый характер взаимодействия нейтронов с ядрами приводит к тому, что атомная амплитуда рассеяния нейтронов f_н (обычно её 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 лёгких и тяжёлых элементов оказываются одного порядка. Поэтому изучение атомной структуры соединений лёгких элементов с тяжёлыми является специфической областью структурной нейтронографии. Прежде всего, это относится к соединениям, содержащим легчайший элемент — водород.

Взаимодействие нейтронов с веществом имеет следующие особенности, рис. 1:

• для движущегося со скоростью V нейтрона его длина волны может быть выражена как: - длина волны частицы де Бройля, где V – скорость, р – импульс, Е – кинетическая энергия частицы;
• λ = 0,287/Е (где Е измерено в электронвольтах, длина волны в ангстремах).

 

При взаимодействии потока нейтронов с веществом существует два вида рассеяния:

а) Ядерное рассеяние  в поле ядерных сил. Оно определяется амплитудой рассеяния для ядра с  нулевым спином и двумя независимыми амплитудами для ядер, обладающих спином (вверх и вниз).

б) Магнитное рассеяние. Нейтрон взаимодействует с магнитным  моментом атома.

Сечение взаимодействия, кроме того, зависит от изотопа. Например, для никеля:

Ni	Содержание %	σ, 10-12 см
Ni58	67.76	1.44
Ni60	26.16	0.28
Ni61	1.25	0.76
Ni62	3.66	-0.87
Ni64	1.16	-0.04

 

Рис. 1. Эффективное сечение  рассеяния элементов 

для нейтронов и рентгеновских  лучей

 

Взаимодействие нейтронов  с веществом имеет следующие  особенности:

1. Нейтроны мало поглощаются веществами: в тяжелых веществах поглощение нейтронов в 10⁴ раз меньше, чем рентгеновских лучей. Однако поглощение нейтронов в некоторых веществах, например в В и Cd велико.

2. Рассеяние рентгеновских лучей растет с увеличением атомного номера вещества, интенсивность рассеянных лучей зависит от брэгговского угла. Нейтроны практически одинаково рассеиваются под всеми углами θ, и строгая зависимость рассеяния от атомного номера (фактор Лоренца) отсутствует (рис. 1.). Интегральное сечение рассеяния σ_s связано с амплитудой рассеяния f соотношением:

Зависимость сечения  рассеяния от относительной атомной  массы вещества представлена на рисунке, из которого видно, что некоторые легкие вещества рассеивают нейтроны так же эффективно, как и тяжелые, а иногда обнаруживаются значительные различия в рассеянии соседними элементами. Часто значительно различается рассеивающая способность изотопов одного и того же элемента. Водород и углерод рассеивают нейтроны почти так же, как и тяжелые элементы.

3) Рассеяние нейтронов  вызывается их взаимодействием с ядрами рассеивающего вещества (а не с электронами, как у рентгеновских лучей). Однако, если строение электронной оболочки таково, что атом обладает постоянным магнитным моментом (у элементов с недостроенной электронной оболочкой), то вследствие наличия у нейтрона собственного магнитного момента будет наблюдаться диполь-дипольное взаимодействие, которое сравнимо и во многих случаях может даже превосходить взаимодействие нейтрона с ядром. Таким образом, нейтронное рассеяние дает возможность получить сведения о расположении магнитных моментов атомов в кристаллах. Эти данные нельзя получить с помощью рентгеноструктурного анализа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

 

В качестве источника  нейтронов в нейтронографии используют ядерные реакторы, дающие полиэнергетический спектр нейтронов. Как известно, длина волны нейтронов λ (см) определяется из соотношения де Бройля:

где h – постоянная Планка;  m – масса; v – скорость нейтронов, см/с, или

где Е – энергия нейтронов, эВ.

В нейтронографии используются нейтроны с длиной волны порядка 1Ǻ, т.е. с энергией порядка 1 эВ. Такой  энергией обладают нейтроны, находящиеся  в тепловом равновесии с веществом  замедлителя (тепловые нейтроны).

Схема нейтронного спектрометра приведена на рис. 2. Пучок нейтронов вырезается коллиматоров 2 длиной 50…150 см, вставленным в защитную оболочку реактора. Этот пучок затем попадает на монохроматор 4, установленный под брэгговским углом (для данной длины волны нейтронов). Для монохроматизации пучка нейтронов обычно используют монокристаллы свинца или меди. В последние годы стали широко применять деформированные (для увеличения мозаичности) кристаллы германия, а также пиролитический графит, обладающий очень высокой отражающей способностью. Монохроматор окружен защитой из парафина 1 и свинца 3. С помощью монохроматора из сплошного спектра вырезается пучок с интервалом длин волн 0,15 Ǻ, что на два порядка превышает собственную ширину линии рентгеновского характеристического спектра. Таким образом, большая спектральная ширина монохроматизированного пучка нейтронов не позволяет определить периоды решетки с погрешностью, меньшей 0,1 Ǻ. Плотность потока монохроматизированного пучка нейтронов велика, она составляет около одного процента от плотности потока первичного пучка. Для сравнения укажем, что плотность пучка в рентгеноструктурном анализе составляет ~10⁸ квант/(см²с).

Монохроматический пучок  нейтронов попадает на образец 6, установленный на гониометре 5 нейтронного спектрометра. Для этой цели часто используют гониометр от рентгеновского дифрактометра. Так же, как и монохроматор, гониометр имеет надежную свинцовую защиту. Пучок нейтронов может перекрываться кадмиевой заслонкой 8. Образца для исследования в связи с малым сечением рассеяния нейтронов должны быть большими (по крайней мере несколько миллиметров).

Рассеянные образцом нейтроны регистрируются счетчиком 7, наполненным BF₃, содержащим значительное количество изотопа B¹⁰. Ядро изотопа B¹⁰ может захватывать нейтроны, испытывая после этого распад по реакции: B^10~ + n = Li⁷ + α. α-частица вызывает ионизационный эффект, приводящий к разряду в счетчике.

Рис. 2. Схема нейтронного  спектрометра

 

Однако даже при максимальном использовании нейтронного пучка  от очень мощного реактора скорость счета при дифракционных исследованиях  на превышает 10²…10³ мин^-1 (для единичного измерения необходимо набрать несколько тысяч отсчетов), поэтому интерференционная кривая строится очень медленно.

В нейтронографии довольно просто производить исследования при  высокой и низкой температуре. При  низкотемпературных исследованиях образец помещают в криостат. При этом не возникает проблемы, связанной с поглощением, так как нейтроны почти беспрепятственно проходят сквозь оболочку и тепловую защиту криостата. Для высокотемпературных исследований используют обычные печи, в которых отсутствуют отверстия для ввода пучка нейтронов. В опытах по магнитному рассеянию образцы намагничиваются с помощью постоянных магнитов или электромагнитов.

Нейтронографический анализ проводится как по методу вращения монокристаллов (из-за эффекта экстинкции размеры образцов в этом случае не должны превышать 5 мм), так и по методу порошков.

 

 

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НЕЙТРОНОГРАФИИ

 

С помощью нейтронографии успешно проводят следующие исследования:

1. Изучение кристаллической структуры веществ, содержащих атомы легких элементов, наряду с тяжелыми атомами (водорода в гидриде циркония, углерода в аустените и др.), а также структур из легких элементов (льда, гидрида натрия, дейтерида натрия, графита). Также структуры нельзя исследовать с помощью рентгеновских лучей из-за незначительного рассеяния их легкими элементами. На рентгенограммах дифракционные максимумы почти полностью обусловлены рассеянием на тяжелых атомах, тогда как на нейтронограмме они возникают и за счет рассеяния легкими атомами.

2. Исследование упорядочения в системах с близкими атомными номерами. С помощью рентгеновских лучей невозможно изучить, например, систему Fe-Co, так как интенсивность основных (структурных) отражений пропорциональна структурному множителю:

а интенсивность сверхструктурных линий:

Естественно, что такие  слабые сверхструктурные отражения  на рентгенограмме зарегистрировать не удается. Так как амплитуды нейтронного  рассеяния для Fe и Со резко различаются:

отношение F_c² / F_cc² ≈ 3,3 небольшое. Следовательно, на нейтронограмме структурные максимумы будут только примерно в три раза интенсивнее сверхструктурных.

3. Определение магнитных  структур кристаллических веществ.  Это уникальное использование  дифракции нейтронов в настоящее  время развилось в область  науки, называемую магнитной нейтронографией.

Нейтроны, благодаря собственному магнитному моменту, могут взаимодействовать  с любыми магнитными моментами, локализованными  в веществе, и это взаимодействие проявляется на нейтронограммах. Для  парамагнитных веществ, в которых  атомные магнитные моменты распределены хаотически, рассеяние нейтронов некогерентное (диффузное) и зависит от угла рассеяния (интенсивность рассеяния убывает с увеличением угла). Из интенсивности парамагнитного рассеяния нейтронов можно определить атомный магнитный момент и радиальное распределения электронов в оболочке атома.