Дифракция нейтронов - Neutron diffraction

Метод визуализации, известный как нейтронная дифракция, который использовался вместе с молекулярным моделированием, показал, что область измерения напряжения ионных каналов (красная, желтая и синяя молекула в центре) нарушает двухслойную клеточную мембрану, которая ее окружает (желтые поверхности), в результате чего мембрана слегка разбавить.

Дифракция нейтронов или упругое рассеяние нейтронов - это применение рассеяния нейтронов для определения атомной и / или магнитной структуры материала. Исследуемый образец помещают в пучок тепловых или холодных нейтронов для получения дифракционной картины, которая дает информацию о структуре материала. Этот метод аналогичен дифракции рентгеновских лучей, но из-за их различных свойств рассеяния нейтроны и рентгеновские лучи предоставляют дополнительную информацию: рентгеновские лучи подходят для поверхностного анализа, сильные рентгеновские лучи от синхротронного излучения подходят для небольших глубин или тонких образцов. , а нейтроны с большой глубиной проникновения подходят для массивных образцов.

Требования к инструментам и образцам

Для этого метода требуется источник нейтронов. Нейтроны обычно образуются в ядерном реакторе или отщепляющем источнике . В исследовательском реакторе необходимы другие компоненты, в том числе кристаллический монохроматор , а также фильтры для выбора желаемой длины волны нейтронов. Некоторые части установки также могут быть подвижными. В источнике расщепления метод времени пролета используется для сортировки энергий падающих нейтронов (нейтроны с более высокой энергией быстрее), поэтому не требуется монохроматор, а скорее набор апертурных элементов, синхронизированных для фильтрации нейтронных импульсов с желаемой длиной волны. .

Чаще всего используется метод порошковой дифракции , для которого требуется только поликристаллический порошок. Работа с монокристаллом также возможна, но кристаллы должны быть намного больше, чем те, которые используются в рентгеновской кристаллографии монокристаллов . Обычно используют кристаллы размером около 1 мм 3 .

Для этого метода также требуется устройство, которое может обнаруживать нейтроны после их рассеяния.

Подводя итог, главный недостаток нейтронной дифракции - это потребность в ядерном реакторе. Для работы с монокристаллами этот метод требует относительно больших кристаллов, которые обычно сложно выращивать. У техники много преимуществ - чувствительность к легким атомам, способность различать изотопы, отсутствие радиационных повреждений, а также глубина проникновения в несколько сантиметров.

Ядерное рассеяние

Как и все квантовые частицы , нейтроны могут проявлять волновые явления, обычно связанные со светом или звуком. Дифракция - одно из таких явлений; это происходит, когда волны сталкиваются с препятствиями, размер которых сравним с длиной волны . Если длина волны квантовой частицы достаточно мала, атомы или их ядра могут служить дифракционными препятствиями. Когда пучок нейтронов, исходящий из реактора, замедляется и выбирается должным образом по их скорости, их длина волны находится около одного ангстрема (0,1 нанометра ), что является типичным расстоянием между атомами в твердом материале. Такой луч затем можно использовать для проведения дифракционного эксперимента. Столкнувшись с кристаллическим образцом, он будет рассеиваться под ограниченным числом четко определенных углов в соответствии с тем же законом Брэгга, который описывает дифракцию рентгеновских лучей.

Нейтроны и рентгеновские лучи по-разному взаимодействуют с веществом. Рентгеновские лучи взаимодействуют в первую очередь с электронным облаком, окружающим каждый атом. Поэтому вклад в интенсивность дифрагированного рентгеновского излучения больше для атомов с большим атомным номером (Z) . С другой стороны, нейтроны взаимодействуют напрямую с ядром атома, и вклад в дифрагированную интенсивность зависит от каждого изотопа ; например, обычный водород и дейтерий вносят разный вклад. Также часто бывает, что легкие (с низким Z) атомы сильно влияют на дифрагированную интенсивность, даже в присутствии больших Z-атомов. Длина рассеяния изменяется от изотопа к изотопу, а не линейно с атомным номером. Такой элемент, как ванадий, сильно рассеивает рентгеновские лучи, но его ядра почти не рассеивают нейтроны, поэтому его часто используют в качестве материала контейнера. Немагнитная дифракция нейтронов непосредственно чувствительна к положению ядер атомов.

Ядра атомов, от которых разлетаются нейтроны, крошечные. Кроме того, нет необходимости в атомном форм-факторе для описания формы электронного облака атома, и рассеивающая способность атома не падает с углом рассеяния, как это происходит в случае рентгеновских лучей. Дифрактограммы поэтому может показать сильные, хорошо определенные пики дифракции даже при больших углах, особенно если эксперимент проводится при низких температурах. Многие источники нейтронов оснащены системами охлаждения с жидким гелием, которые позволяют собирать данные при температурах до 4,2 К. Информация, получаемая с превосходных углов (т. Е. С высоким разрешением ), означает, что положения атомов в структуре могут быть определены с высокой точностью. С другой стороны, карты Фурье (и, в меньшей степени, разностные карты Фурье ), полученные из нейтронных данных, страдают от ошибок завершения серии, иногда настолько больших, что результаты не имеют смысла.

Магнитное рассеяние

Хотя нейтроны не заряжены, они несут магнитный момент и, следовательно, взаимодействуют с магнитными моментами, в том числе возникающими из электронного облака вокруг атома. Таким образом, дифракция нейтронов может выявить микроскопическую магнитную структуру материала.

Магнитное рассеяние действительно требует атомного форм-фактора, поскольку оно вызвано гораздо большим электронным облаком вокруг крошечного ядра. Поэтому интенсивность магнитного вклада в дифракционные пики будет уменьшаться в сторону больших углов.

Использует

Нейтронография может быть использована для определения статического коэффициента структуры из газов , жидкостей или аморфных твердых веществ . Однако большинство экспериментов нацелено на структуру кристаллических твердых тел, что делает нейтронную дифракцию важным инструментом кристаллографии .

Дифракция нейтронов тесно связана с дифракцией рентгеновских лучей на порошке . Фактически, монокристаллический вариант метода используется реже, потому что доступные в настоящее время источники нейтронов требуют относительно больших образцов, а большие монокристаллы трудно или невозможно найти для большинства материалов. Однако дальнейшие события могут изменить эту картину. Поскольку данные обычно представляют собой одномерную порошковую дифрактограмму, они обычно обрабатываются с использованием уточнения Ритвельда . Фактически, последний был основан на дифракции нейтронов (в Петтене в Нидерландах) и позже был расширен для использования в дифракции рентгеновских лучей.

Одно практическое применение упругих нейтронного рассеяния / дифракции является то , что постоянные решетками из металлов и других кристаллических материалов может быть очень точно измерить. Вместе с точно выровненным микропозиционером можно составить карту постоянной решетки металла. Это можно легко преобразовать в поле напряжений, испытываемое материалом. Это было использовано для анализа напряжений в аэрокосмических и автомобильных компонентах, чтобы привести только два примера. Большая глубина проникновения позволяет измерять остаточные напряжения в таких объемных деталях, как коленчатые валы, поршни, рельсы, шестерни. Этот метод привел к разработке специализированных дифрактометров напряжения, таких как прибор ENGIN-X на источнике нейтронов ISIS .

Нейтронная дифракция также может быть использована для понимания трехмерной структуры любого дифракционного материала.

Другое использование - определение сольватационного числа ионных пар в растворах электролитов.

Эффект магнитного рассеяния использовался с момента создания нейтронной дифракции для количественной оценки магнитных моментов в материалах и изучения ориентации и структуры магнитного диполя. Одним из первых применений дифракции нейтронов было изучение ориентации магнитных диполей в антиферромагнитных оксидах переходных металлов, таких как оксиды марганца, железа, никеля и кобальта. Эти эксперименты, впервые проведенные Клиффордом Шуллом, впервые показали существование антиферромагнитного расположения магнитных диполей в структуре материала. В настоящее время дифракция нейтронов продолжает использоваться для характеристики недавно разработанных магнитных материалов.

Водород, нулевое рассеяние и вариация контраста

Нейтронная дифракция может быть использована для установления структуры материалов с низким атомным номером, таких как белки и поверхностно-активные вещества, гораздо легче с меньшим потоком, чем у источника синхротронного излучения. Это связано с тем, что некоторые материалы с низким атомным номером имеют более высокое поперечное сечение взаимодействия нейтронов, чем материалы с более высоким атомным весом.

Одним из основных преимуществ дифракции нейтронов перед дифракцией рентгеновских лучей является то, что последняя довольно нечувствительна к присутствию водорода (H) в структуре, тогда как ядра 1 H и 2 H (т.е. дейтерий , D) являются сильными рассеивателями нейтронов. Большая рассеивающая способность протонов и дейтронов означает, что положение водорода в кристалле и его тепловые движения могут быть определены с большей точностью с помощью дифракции нейтронов. Структуры металлогидридных комплексов , например Mg 2 FeH 6 , оценивали методом нейтронографии.

Длины рассеяния нейтронов b H = −3,7406 (11) фм и b D = 6,671 (4) фм для H и D соответственно имеют противоположный знак, что позволяет методике их различать. Фактически, существует определенное соотношение изотопов, при котором вклад элемента будет сокращаться, это называется рассеянием нуля.

Нежелательно работать с относительно высокой концентрацией H в пробе. Интенсивность рассеяния на H-ядрах имеет большую неупругую составляющую, которая создает большой непрерывный фон, более или менее независимый от угла рассеяния. Упругий узор обычно состоит из резких брэгговских отражений, если образец кристаллический. Они имеют свойство тонуть в неэластичном фоне. Это еще более серьезно, когда этот метод используется для изучения структуры жидкости. Тем не менее, приготовив образцы с различным соотношением изотопов, можно изменить контраст рассеяния в достаточной степени, чтобы выделить один элемент в сложной структуре. Изменение других элементов возможно, но обычно довольно дорого. Водород недорог и особенно интересен, потому что он играет исключительно большую роль в биохимических структурах и его трудно изучать структурно другими способами.

История

Первые нейтронографические эксперименты были выполнены в 1945 году Эрнестом О. Волланом на графитовом реакторе в Ок-Ридже . Вскоре после этого (июнь 1946 г.) к нему присоединился Клиффорд Шулл , и вместе они установили основные принципы этой техники и успешно применили ее ко многим различным материалам, решая такие проблемы, как структура льда и микроскопическое расположение магнитных моментов в материалах. За это достижение Шуллю была присуждена половина Нобелевской премии по физике 1994 года . (Воллан умер в 1984 году). (Вторая половина 1994 Нобелевской премии по физике пошла Bert Брокхауз для развития неупругого рассеяния техники на объекте реки меловой из AECL . Это также участвует изобретение тройной оси спектрометра). Задержка между достигнутой работой (1946 г.) и Нобелевской премией, присужденной Брокхаузу и Шуллу (1994), приближает их к задержке между изобретением Эрнстом Руска электронного микроскопа (1933 г.) - также в области оптики частиц - и его собственная Нобелевская премия (1986). Это, в свою очередь, близко к рекорду в 55 лет между открытиями Пейтона Рауса и присуждением ему Нобелевской премии в 1966 году.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Лавси, SW (1984). Теория рассеяния нейтронов в конденсированных средах; Том 1: Рассеяние нейтронов . Оксфорд: Clarendon Press . ISBN 0-19-852015-8.
  • Лавси, SW (1984). Теория рассеяния нейтронов в конденсированных средах; Том 2: Конденсированное вещество . Оксфорд: Clarendon Press. ISBN 0-19-852017-4.
  • Сквайрс, GL (1996). Введение в теорию теплового рассеяния нейтронов (2-е изд.). Минеола, Нью-Йорк: ISBN Dover Publications Inc. 0-486-69447-X.
  • Янг, Р.А., изд. (1993). Метод Ритвельда . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета и Международный союз кристаллографии. ISBN 0-19-855577-6.

внешние ссылки