Нейтронография

В этом разделе изучается нейтронография. Приведена сравнитель-ная характеристика метода по отношению к рентгенографии, рассмот-рены различные области применения метода. В настоящее время в связи с развитием реакторостроения начала успешно развиваться новая область науки — нейтронография, исполь-зующая явление дифракции нейтронов на кристаллических веществах. 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. Взаимодействие нейтронов с веществом имеет следующие особенности: • для движущегося со скоростью V нейтрона его длина волны может быть выражена как: λ = h/mV = h/p = h/ 2mV – длина волны части-цы де Бройля, где V – скорость, p – импульс, E – кинетическая энергия частицы; • λ = 0,287/Е (где Е измерено в электронвольтах, длина волны в ангс-тремах). При взаимодействии потока нейтронов с веществом существует два вида рассеяния: а) Ядерное рассеяние в поле ядерных сил. Оно определяется ампли-тудой рассеяния для ядра с нулевым спином и двумя независимыми ам-плитудами для ядер, обладающих спином (вверх и вниз). б) Магнитное рассеяние. Нейтрон взаимодействует с магнитным моментом атома. Сечение взаимодействия, кроме того, зависит от изотопа.

Взаимодействие нейтронов с веществом имеет следующие особен-ности:

1. Нейтроны мало поглощаются веществами: в тяжелых веществах по-глощение 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 брэггов-ского угла. Нейтроны практически одинаково рассеиваются под всеми углами Θ, и строгая зависимость рассеяния от атомного номера (фактор Лоренца) отсутствует. Интегральное сечение рассеяния σs свя-зано с амплитудой рассеяния f соотношением: σs = 4πf2. Некоторые легкие вещества рассеивают нейтроны так же эффективно, как и тяже-лые, а иногда обнаруживаются значительные различия в рассеянии со-седними 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 вызываются их взаимодействием с ядрами рассеивающего вещества (а не с электронами, как у рентгеновских лу-чей). Однако, если строение электронной оболочки таково, что атом обладает постоянным магнитным моментом (у элементов с недостроенной электронной оболочкой), то вследствие наличия у нейтрона собственно-го магнитного момента будет наблюдаться диполь-дипольное взаимо-действие, которое сравнимо и во многих случаях может даже превосхо-дить взаимодействие нейтрона с ядром. Таким образом, нейтронное рассеяние дает возможность получить сведения о расположении маг-нитных моментов атомов в кристаллах. Эти данные нельзя получить с помощью рентгеноструктурного анализа.

Области применения нейтронографии

С помощью нейтронографии успешно проводят следующие иссле-дования:

1. Изучение кристаллической структуры веществ, содержащих ато-мы легких элементов, наряду с тяжелыми атомами (водорода в гидриде циркония, углерода в аустените и др.), а также структур из легких эле-ментов (льда, гидрида натрия, дейтерида натрия, графита). Такие струк-туры нельзя исследовать с помощью рентгеновских лучей из-за незна-чительного рассеяния их легкими элементами. Нa рентгенограммах ди-фракционные 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, на-пример, систему Fe-Co, так как интенсивность основных (структурных) отражений пропорциональна структурному множителю: Fc2 = 16[fFe + fCо]2 ~ 45000, а интенсивность сверхструктурных линий:

Fcс2 = 16[fFe – fCо]2 ~ 16, т. е. Fc2/ Fcс2 ≈ 2800.

Естественно, что такие слабые сверхструктурные отражения на рентгенограмме зарегистрировать не удается. Так как амплитуды ней-тронного рассеяния для Fe и Со резко различаются: fFe =0,96·1012 см, fСо=0,28·1012 см, отношение Fc2/ Fcс2 ≈ 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, локализованны-ми в веществе, и это взаимодействие проявляется на нейтронограммах. Для парамагнитных веществ, в которых атомные магнитные моменты распределены хаотически, рассеяние нейтронов некогерентное (диф-фузное) и зависит от угла рассеяния (интенсивность рассеяния убывает с увеличением угла). Из интенсивности парамагнитного рассеяния ней-тронов можно определить атомный магнитный момент и радиальное распределение электронов в оболочке атома.

Нейтронографическими исследованиями установлены новые типы магнитных структур веществ – антиферромагнетики и ферримагнетики. В антиферромагнетиках магнитные моменты расположены антипарал-лельно, поэтому результирующий магнитный момент такого вещества равен нулю. В другом типе веществ (ферримагнетиках) намагничен-ность первой подрешетки превышает намагниченность второй подре-шетки (нескомпенсированный антиферромагнетизм). Такие вещества называются ферритами. Они обладают большой самопроизвольной на-магниченностью и широко используются в радиотехнике для изготов-ления сердечников катушек индуктивностей.

4. Изучение глубинных слоев материалов. Нейтроны проникают очень глубоко и удается определить предпочтительные ориентации в крупных образцах. С помощью рассеяния нейтронов удается исследо-вать текстуры в крупных образцах. Например, проведен анализ текстур в образце железа толщиной 2,5 см, достаточно прозрачном для нейтро-нов. В отличие от рентгенографического исследования анализ ориента-ции оказался справедливым не только для поверхностного слоя, но и для всего объема образца. Нейтронография успешно используется для различных исследова-ний, и области ее применения постоянно расширяются. В частности, представляет интерес исследование неупругого рассеяния нейтронов. Некоторые работы показывают, что этот эффект позволяет изучить си-ловое взаимодействие между атомами металла и получить численные значения силовых констант.

Дата добавления: 2014-05-20; просмотров: 364; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!