Нейтронография

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

История метода

Нейтрон был открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 году, а уже в 1936 году было косвенно продемонстрировано, что как и другие элементарные частиц он проявляет волновые свойства и может дифрагировать на кристаллических решётках. Первые работы в области нейтронографии принадлежат итальянскому физику Энрико Ферми (1946—48). К 1950-м годам были также созданы тестовые реакторы, способные генерировать достаточно яркие потоки нейтронов, необходимые для проведения экспериментов по нейтронной спектроскопии. Были также проведены эксперименты, аналогичные эксперименту Дебая — Шеррера. Однако эти и ряд других работ носили отрывочный и неполный характер. В частности, не было подтверждено экспериментально предсказанные теоретически эффект теплового диффузного рассеяния.

В 1946 году в Ок-Ридже под руководством Эрнеста Воллана (англ.) была впервые продемонстрирована непосредственная дифракция нейтронов. В качестве мишени были использованы природные поликристаллы хлорида натрия, а также лёгкая и тяжёлая вода. В том же году к этой группе присоединяется Клиффорд Шалл. В 1949 году они значительно усовершенствовали свою установку, приделав к выходу второй спектрометр, разработанный специально для регистрации нейтронов (первый был переделан из рентгеновского спектрометра), а также использовав индиевые пластинки для фотографической регистрации нейтронных пучков. Это позволило им впервые получить нейтронную лауэграмму.

В 1951 году работы по планомерному изучению дифракции нейтронов были начаты в лаборатории Чок-Ривер (англ.) (Канада). Именно там в 1952 году под руководством Бертрам Брокхауза был разработан первый трёхосный нейтронный спектрометр, позволивший совершить прорыв в нейтронной спектроскопии. Правда, в это время на используемом ими реакторе NRX (англ.) случилась авария, и работы были возобновлены только в 1954 году. За эти два года, однако, были выращены большие монокристаллические слитки алюминия и свинца, позволившие создать монохроматор и спектрометр-анализатор с уникальными характеристиками. Удачная схема спектрометра и новые технологии позволило в короткие сроки получить большое количество совершенно новых результатов.

В 1994 году эти работы были отмечены Нобелевской премией по физике, вручённой К. Шаллу и Б. Брокхаузу (Э. Воллан не был награждён премией, поскольку скончался в 1984 году).

Описание метода

Для целей нейтронной спектрометрии обычно применяются тепловые нейтроны с энергией от 0,001 эВ до нескольких десятых эВ, получаемые в ядерных реакторах. Такие нейтроны имеют длины волны де Бройля в диапазоне от десятых долей ангстрема до 10 ангстрем. Такой выбор обусловлен тем, что в этот диапазон энергий попадают характерные энергии квантовых уровней в конденсированных средах. При этом длина волны нейтрона по порядку величины равна межатомному расстоянию. Удачным является также и то, что нейтроны такой энергии могут беспрепятственно проникать на значительные глубины в большинство материалов, не разрушая их.

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

Измерение энергии нейтронов

Энергия нейтронов в пучке обычно измеряется или путём измерения длины волны де Бройля нейтронов путём их дифракции на монокристаллической решётке, или по времени их пролёта через промежуток известной длины. Первый метод, однако, даёт прибавочную погрешность, связанную с переходом от угла отражения к длине волны через преобразование Брэгга. При этом эти методы сильно отличаются с технической точки зрения и с точки зрения постановки эксперимента.

Реже применяются ещё два метода измерения энергии нейтронов в пучке. В первом из них, называемом «Фильтр-прерыватель» (англ. fliter-chopper) или «Холодный нейтрон» (англ. cold neutron), используются специальные поликристаллические фильтры, сделанные, как правило, из металлического бериллия. Этот фильтр отсеивает все нейтроны с длиной волны меньше некоторой (более длинноволновые просто не испытывают брэгговского рассеяния и беспрепятственно пролетают сквозь фильтр). Рассеянные нейтроны затем анализируются методом пролёта. Обратным методом является метод «Фильтр-детектор» (англ. fliter-detector) или «Бериллиевый детектор» (англ. beryllium detector), в котором при помощи дифракции на кристалле регистрируются только самые медленные нейтроны.

Для более детального измерения спектра нейтронов применяются более сложные методы. Например, адсорбционный метод основан на том, что ядра разных химических элементов имеют разные зависимости сечения захвата нейтронов от их энергии. Поскольку все эти сечения хороши известны, то последовательная серия поглотителей из разных веществ позволяет измерить спектр нейтронов.

Значительным прорывом стала разработка технологии трёхосного нейтронного спектрометра. Исследуемый образец помещался на столе, который мог перемещаться вдоль направления распространения «монохроматического» нейтронного пучка, получаемого в результате брэгговской дифракции нейтронов на монокристалле и отсеивания лишних путём диафрагирования. Второй монохроматор выступает в роли спектрометра-анализатора и может двигаться как единое целое. Эта технология позволила относительно легко измерять зависимость сечение рассеяния от энергии нейтрона и угла его рассеяния в широкой области параметров.

Применение

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

Литература

• Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
• 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.
• Bertram N. Brockhouse [journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.67.735 Slow neutron spectroscopy and the grand atlas of the physical world] (англ.) // Reviews of Modern Physics. — 1995. — Vol. 67. — P. 735. — DOI:10.1103/RevModPhys.67.735.
• Clifford G. Shull [journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.67.753 Early development of neutron scattering] (англ.) // Reviews of Modern Physics. — 1995. — Vol. 67. — P. 753. — DOI:10.1103/RevModPhys.67.753.
• Б. Н. Брукхауз [ufn.ru/ru/articles/1995/12/d/ Спектроскопия медленных нейтронов и Великий Атлас физического мира] (рус.) // Успехи физических наук. — 1995. — Vol. 165. — P. 1381. — DOI:10.3367/UFNr.0165.199512d.1381.
• К. Г. Шулль [ufn.ru/ru/articles/1995/12/e/ Раннее развитие физики нейтронного рассеяния] (рус.) // Успехи физических наук. — 1995. — Vol. 165. — P. 1399. — DOI:10.3367/UFNr.0165.199512e.1399.

Ссылки

• Нейтронография — статья из Большой советской энциклопедии..

Отрывок, характеризующий Нейтронография

– Извольте идти, я без вас знаю, что делать, – сердито крикнул Растопчин. Он стоял у двери балкона, глядя на толпу. «Вот что они сделали с Россией! Вот что они сделали со мной!» – думал Растопчин, чувствуя поднимающийся в своей душе неудержимый гнев против кого то того, кому можно было приписать причину всего случившегося. Как это часто бывает с горячими людьми, гнев уже владел им, но он искал еще для него предмета. «La voila la populace, la lie du peuple, – думал он, глядя на толпу, – la plebe qu'ils ont soulevee par leur sottise. Il leur faut une victime, [„Вот он, народец, эти подонки народонаселения, плебеи, которых они подняли своею глупостью! Им нужна жертва“.] – пришло ему в голову, глядя на размахивающего рукой высокого малого. И по тому самому это пришло ему в голову, что ему самому нужна была эта жертва, этот предмет для своего гнева.
– Готов экипаж? – в другой раз спросил он.
– Готов, ваше сиятельство. Что прикажете насчет Верещагина? Он ждет у крыльца, – отвечал адъютант.
– А! – вскрикнул Растопчин, как пораженный каким то неожиданным воспоминанием.
И, быстро отворив дверь, он вышел решительными шагами на балкон. Говор вдруг умолк, шапки и картузы снялись, и все глаза поднялись к вышедшему графу.
– Здравствуйте, ребята! – сказал граф быстро и громко. – Спасибо, что пришли. Я сейчас выйду к вам, но прежде всего нам надо управиться с злодеем. Нам надо наказать злодея, от которого погибла Москва. Подождите меня! – И граф так же быстро вернулся в покои, крепко хлопнув дверью.
По толпе пробежал одобрительный ропот удовольствия. «Он, значит, злодеев управит усех! А ты говоришь француз… он тебе всю дистанцию развяжет!» – говорили люди, как будто упрекая друг друга в своем маловерии.
Через несколько минут из парадных дверей поспешно вышел офицер, приказал что то, и драгуны вытянулись. Толпа от балкона жадно подвинулась к крыльцу. Выйдя гневно быстрыми шагами на крыльцо, Растопчин поспешно оглянулся вокруг себя, как бы отыскивая кого то.
– Где он? – сказал граф, и в ту же минуту, как он сказал это, он увидал из за угла дома выходившего между, двух драгун молодого человека с длинной тонкой шеей, с до половины выбритой и заросшей головой. Молодой человек этот был одет в когда то щегольской, крытый синим сукном, потертый лисий тулупчик и в грязные посконные арестантские шаровары, засунутые в нечищеные, стоптанные тонкие сапоги. На тонких, слабых ногах тяжело висели кандалы, затруднявшие нерешительную походку молодого человека.
– А ! – сказал Растопчин, поспешно отворачивая свой взгляд от молодого человека в лисьем тулупчике и указывая на нижнюю ступеньку крыльца. – Поставьте его сюда! – Молодой человек, брянча кандалами, тяжело переступил на указываемую ступеньку, придержав пальцем нажимавший воротник тулупчика, повернул два раза длинной шеей и, вздохнув, покорным жестом сложил перед животом тонкие, нерабочие руки.
Несколько секунд, пока молодой человек устанавливался на ступеньке, продолжалось молчание. Только в задних рядах сдавливающихся к одному месту людей слышались кряхтенье, стоны, толчки и топот переставляемых ног.
Растопчин, ожидая того, чтобы он остановился на указанном месте, хмурясь потирал рукою лицо.
– Ребята! – сказал Растопчин металлически звонким голосом, – этот человек, Верещагин – тот самый мерзавец, от которого погибла Москва.
Молодой человек в лисьем тулупчике стоял в покорной позе, сложив кисти рук вместе перед животом и немного согнувшись. Исхудалое, с безнадежным выражением, изуродованное бритою головой молодое лицо его было опущено вниз. При первых словах графа он медленно поднял голову и поглядел снизу на графа, как бы желая что то сказать ему или хоть встретить его взгляд. Но Растопчин не смотрел на него. На длинной тонкой шее молодого человека, как веревка, напружилась и посинела жила за ухом, и вдруг покраснело лицо.
Все глаза были устремлены на него. Он посмотрел на толпу, и, как бы обнадеженный тем выражением, которое он прочел на лицах людей, он печально и робко улыбнулся и, опять опустив голову, поправился ногами на ступеньке.
– Он изменил своему царю и отечеству, он передался Бонапарту, он один из всех русских осрамил имя русского, и от него погибает Москва, – говорил Растопчин ровным, резким голосом; но вдруг быстро взглянул вниз на Верещагина, продолжавшего стоять в той же покорной позе. Как будто взгляд этот взорвал его, он, подняв руку, закричал почти, обращаясь к народу: – Своим судом расправляйтесь с ним! отдаю его вам!
Народ молчал и только все теснее и теснее нажимал друг на друга. Держать друг друга, дышать в этой зараженной духоте, не иметь силы пошевелиться и ждать чего то неизвестного, непонятного и страшного становилось невыносимо. Люди, стоявшие в передних рядах, видевшие и слышавшие все то, что происходило перед ними, все с испуганно широко раскрытыми глазами и разинутыми ртами, напрягая все свои силы, удерживали на своих спинах напор задних.
– Бей его!.. Пускай погибнет изменник и не срамит имя русского! – закричал Растопчин. – Руби! Я приказываю! – Услыхав не слова, но гневные звуки голоса Растопчина, толпа застонала и надвинулась, но опять остановилась.
– Граф!.. – проговорил среди опять наступившей минутной тишины робкий и вместе театральный голос Верещагина. – Граф, один бог над нами… – сказал Верещагин, подняв голову, и опять налилась кровью толстая жила на его тонкой шее, и краска быстро выступила и сбежала с его лица. Он не договорил того, что хотел сказать.
– Руби его! Я приказываю!.. – прокричал Растопчин, вдруг побледнев так же, как Верещагин.
– Сабли вон! – крикнул офицер драгунам, сам вынимая саблю.
Другая еще сильнейшая волна взмыла по народу, и, добежав до передних рядов, волна эта сдвинула переднии, шатая, поднесла к самым ступеням крыльца. Высокий малый, с окаменелым выражением лица и с остановившейся поднятой рукой, стоял рядом с Верещагиным.
– Руби! – прошептал почти офицер драгунам, и один из солдат вдруг с исказившимся злобой лицом ударил Верещагина тупым палашом по голове.
«А!» – коротко и удивленно вскрикнул Верещагин, испуганно оглядываясь и как будто не понимая, зачем это было с ним сделано. Такой же стон удивления и ужаса пробежал по толпе.
«О господи!» – послышалось чье то печальное восклицание.
Но вслед за восклицанием удивления, вырвавшимся У Верещагина, он жалобно вскрикнул от боли, и этот крик погубил его. Та натянутая до высшей степени преграда человеческого чувства, которая держала еще толпу, прорвалось мгновенно. Преступление было начато, необходимо было довершить его. Жалобный стон упрека был заглушен грозным и гневным ревом толпы. Как последний седьмой вал, разбивающий корабли, взмыла из задних рядов эта последняя неудержимая волна, донеслась до передних, сбила их и поглотила все. Ударивший драгун хотел повторить свой удар. Верещагин с криком ужаса, заслонясь руками, бросился к народу. Высокий малый, на которого он наткнулся, вцепился руками в тонкую шею Верещагина и с диким криком, с ним вместе, упал под ноги навалившегося ревущего народа.
Одни били и рвали Верещагина, другие высокого малого. И крики задавленных людей и тех, которые старались спасти высокого малого, только возбуждали ярость толпы. Долго драгуны не могли освободить окровавленного, до полусмерти избитого фабричного. И долго, несмотря на всю горячечную поспешность, с которою толпа старалась довершить раз начатое дело, те люди, которые били, душили и рвали Верещагина, не могли убить его; но толпа давила их со всех сторон, с ними в середине, как одна масса, колыхалась из стороны в сторону и не давала им возможности ни добить, ни бросить его.
«Топором то бей, что ли?.. задавили… Изменщик, Христа продал!.. жив… живущ… по делам вору мука. Запором то!.. Али жив?»
Только когда уже перестала бороться жертва и вскрики ее заменились равномерным протяжным хрипеньем, толпа стала торопливо перемещаться около лежащего, окровавленного трупа. Каждый подходил, взглядывал на то, что было сделано, и с ужасом, упреком и удивлением теснился назад.
«О господи, народ то что зверь, где же живому быть!» – слышалось в толпе. – И малый то молодой… должно, из купцов, то то народ!.. сказывают, не тот… как же не тот… О господи… Другого избили, говорят, чуть жив… Эх, народ… Кто греха не боится… – говорили теперь те же люди, с болезненно жалостным выражением глядя на мертвое тело с посиневшим, измазанным кровью и пылью лицом и с разрубленной длинной тонкой шеей.
Полицейский старательный чиновник, найдя неприличным присутствие трупа на дворе его сиятельства, приказал драгунам вытащить тело на улицу. Два драгуна взялись за изуродованные ноги и поволокли тело. Окровавленная, измазанная в пыли, мертвая бритая голова на длинной шее, подворачиваясь, волочилась по земле. Народ жался прочь от трупа.
В то время как Верещагин упал и толпа с диким ревом стеснилась и заколыхалась над ним, Растопчин вдруг побледнел, и вместо того чтобы идти к заднему крыльцу, у которого ждали его лошади, он, сам не зная куда и зачем, опустив голову, быстрыми шагами пошел по коридору, ведущему в комнаты нижнего этажа. Лицо графа было бледно, и он не мог остановить трясущуюся, как в лихорадке, нижнюю челюсть.
– Ваше сиятельство, сюда… куда изволите?.. сюда пожалуйте, – проговорил сзади его дрожащий, испуганный голос. Граф Растопчин не в силах был ничего отвечать и, послушно повернувшись, пошел туда, куда ему указывали. У заднего крыльца стояла коляска. Далекий гул ревущей толпы слышался и здесь. Граф Растопчин торопливо сел в коляску и велел ехать в свой загородный дом в Сокольниках. Выехав на Мясницкую и не слыша больше криков толпы, граф стал раскаиваться. Он с неудовольствием вспомнил теперь волнение и испуг, которые он выказал перед своими подчиненными. «La populace est terrible, elle est hideuse, – думал он по французски. – Ils sont сошше les loups qu'on ne peut apaiser qu'avec de la chair. [Народная толпа страшна, она отвратительна. Они как волки: их ничем не удовлетворишь, кроме мяса.] „Граф! один бог над нами!“ – вдруг вспомнились ему слова Верещагина, и неприятное чувство холода пробежало по спине графа Растопчина. Но чувство это было мгновенно, и граф Растопчин презрительно улыбнулся сам над собою. „J'avais d'autres devoirs, – подумал он. – Il fallait apaiser le peuple. Bien d'autres victimes ont peri et perissent pour le bien publique“, [У меня были другие обязанности. Следовало удовлетворить народ. Много других жертв погибло и гибнет для общественного блага.] – и он стал думать о тех общих обязанностях, которые он имел в отношении своего семейства, своей (порученной ему) столице и о самом себе, – не как о Федоре Васильевиче Растопчине (он полагал, что Федор Васильевич Растопчин жертвует собою для bien publique [общественного блага]), но о себе как о главнокомандующем, о представителе власти и уполномоченном царя. „Ежели бы я был только Федор Васильевич, ma ligne de conduite aurait ete tout autrement tracee, [путь мой был бы совсем иначе начертан,] но я должен был сохранить и жизнь и достоинство главнокомандующего“.