Neutronbeugung oder das elastische Neutronzerstreuen sind die Anwendung des Neutrons, das sich zum Entschluss von der atomaren und/oder magnetischen Struktur eines Materials zerstreut: Eine zu untersuchende Probe wird in einen Balken von thermischen oder kalten Neutronen gelegt, um ein Beugungsmuster zu erhalten, das Auskunft der Struktur des Materials gibt. Die Technik ist der Röntgenstrahl-Beugung ähnlich, aber wegen der verschiedenen sich zerstreuenden Eigenschaften von Neutronen gegen Röntgenstrahlen kann Ergänzungsinformation erhalten werden.

Beschreibung

Grundsatz

Neutronen sind im Atomkern fast aller Atome gefundene Partikeln, aber sie werden gebunden. Die Technik verlangt freie Neutronen, und diese kommen normalerweise in der Natur nicht vor, weil sie Lebenszeit beschränkt haben. In einem Kernreaktoren, jedoch, können Neutronen durch den Kernzerfall besonders befreit werden, wenn Spaltung vorkommt. Alle Quant-Partikeln können Welle-Phänomene ausstellen, die wir normalerweise mit dem Licht oder Ton vereinigen. Beugung ist eines dieser Phänomene; es kommt vor, wenn Wellen auf Hindernisse stoßen, deren Größe mit der Wellenlänge vergleichbar ist. Wenn die Wellenlänge einer Quant-Partikel kurz genug ist, können Atome oder ihre Kerne als Beugungshindernisse dienen. Wenn ein Balken von Neutronen, die von einem Reaktor ausgehen, verlangsamt und richtig durch ihre Geschwindigkeit ausgewählt wird, liegt ihre Wellenlänge in der Nähe von einem Angström (0.1 Nanometer), der typischen Trennung zwischen Atomen in einem festen Material. Solch ein Balken kann dann verwendet werden, um ein Beugungsexperiment durchzuführen. Das Stoßen an eine kristallene Probe, die es unter einer begrenzten Zahl von bestimmten Winkeln gemäß dem Gesetz des desselben Braggs streuen wird, das Röntgenstrahl-Beugung beschreibt.

Instrumentale Voraussetzungen

Ein Neutronbeugungsmaß verlangt eine Neutronquelle (z.B ein Kernreaktor oder spallation Quelle), eine Probe (das Material, das zu studieren ist), und ein Entdecker. Beispielgrößen sind im Vergleich zu denjenigen groß, die in der Röntgenstrahl-Beugung verwendet sind. Die Technik wird deshalb größtenteils als Puder-Beugung durchgeführt. An einem Forschungsreaktor können andere Bestandteile wie Kristall monochromators oder Filter erforderlich sein, um die gewünschte Neutronwellenlänge auszuwählen. Einige Teile der Einstellung können auch beweglich sein. An einer spallation Quelle wird die Zeit der Flugtechnik verwendet, um die Energien der Ereignis-Neutronen zu sortieren (Höhere Energieneutronen sind schneller), so ist kein monochromator erforderlich, aber eher eine Reihe von Öffnungselementen, die synchronisiert sind, um Neutronpulse mit der gewünschten Wellenlänge zu filtern.

Das Kernzerstreuen

Neutronen wirken mit Sache verschieden aufeinander als Röntgenstrahlen. Röntgenstrahlen wirken in erster Linie mit der Elektronwolke aufeinander, die jedes Atom umgibt. Der Beitrag zur gebeugten Röntgenstrahl-Intensität ist deshalb für Atome mit einer großen Atomnummer (Z) größer, als es für Atome mit einem kleinen Z ist. Andererseits wirken Neutronen direkt mit dem Kern des Atoms aufeinander, und der Beitrag zur gebeugten Intensität ist für jedes Isotop verschieden; zum Beispiel tragen regelmäßiger Wasserstoff und schwerer Wasserstoff verschieden bei. Es ist auch häufig der Fall, den Licht (niedriger Z) Atome stark zur gebeugten Intensität sogar in Gegenwart von großen Z Atomen beiträgt. Die sich zerstreuende Länge ändert sich vom Isotop bis Isotop aber nicht geradlinig mit der Atomnummer. Ein Element wie Vanadium ist ein starker scatterer von Röntgenstrahlen, aber seine Kerne streuen kaum Neutronen, der ist, warum es häufig als ein Behältermaterial verwendet hat. Nichtmagnetische Neutronbeugung ist zu den Positionen der Kerne der Atome direkt empfindlich.

Ein Hauptunterschied mit Röntgenstrahlen ist, dass das Zerstreuen größtenteils wegen der winzigen Kerne der Atome ist. Das bedeutet, dass es kein Bedürfnis nach einem Atomform-Faktor gibt, um die Gestalt der Elektronwolke des Atoms zu beschreiben, und die sich zerstreuende Macht eines Atoms mit dem sich zerstreuenden Winkel nicht zurückgeht, wie es für Röntgenstrahlen tut. Diffractograms kann deshalb starke gut definierte Beugungsspitzen sogar in hohen Winkeln besonders zeigen, wenn der Versuch bei niedrigen Temperaturen angestellt wird. Viele Neutronquellen werden mit flüssigen Helium-Kühlsystemen ausgestattet, die Datenerfassung bei Temperaturen unten zu 4.2 K erlauben. Der herrliche hohe Winkel (d. h. hohe Entschlossenheit) Information bedeutet, dass die Daten sehr genaue Werte für die Atompositionen in der Struktur geben können. Andererseits sind Karten von Fourier (und zu einem kleineren Ausmaß-Unterschied Karten von Fourier) auf Neutrondaten zurückzuführen gewesen leiden unter Reihe-Beendigungsfehlern manchmal so viel, dass die Ergebnisse sinnlos sind.

Das magnetische Zerstreuen

Obwohl Neutronen unbeladen werden, tragen sie eine Drehung, und wirken deshalb mit magnetischen Momenten, einschließlich derjenigen aufeinander, die aus der Elektronwolke um ein Atom entstehen. Neutronbeugung kann deshalb die mikroskopische magnetische Struktur eines Materials offenbaren.

Das magnetische Zerstreuen verlangt wirklich einen Atomform-Faktor, weil es durch die viel größere Elektronwolke um den winzigen Kern verursacht wird. Die Intensität des magnetischen Beitrags zu den Beugungsspitzen wird deshalb zu höheren Winkeln abnehmen.

Geschichte

Die ersten Neutronbeugungsexperimente wurden 1945 von Ernest O. Wollan ausgeführt, der den Grafit-Reaktor am Eiche-Kamm verwendet. Er wurde kurz danach (Juni 1946) von Clifford Shull angeschlossen, und zusammen haben sie die Kernprinzipien der Technik gegründet, und haben sie erfolgreich auf viele verschiedene Materialien angewandt, Probleme wie die Struktur des Eises und die mikroskopischen Maßnahmen von magnetischen Momenten in Materialien richtend. Für dieses Zu-Stande-Bringen wurde Shull einer Hälfte des 1994-Nobelpreises in der Physik zuerkannt. Wollan war in den 1990er Jahren gestorben. (Die andere Hälfte des 1994-Nobelpreises für die Physik ist Bert Brockhouse für die Entwicklung der unelastischen sich zerstreuenden Technik an der Kreide-Flussmöglichkeit von AECL gegangen. Das hat auch die Erfindung des dreifachen Achse-Spektrometers eingeschlossen). Brockhouse und Shull nehmen gemeinsam die etwas zweifelhafte Unterscheidung der längsten Lücke zwischen der Arbeit, die (1946) und dem Nobelpreis wird tut, der (1994) wird zuerkennt.

Gebrauch

Neutronbeugung kann verwendet werden, um den statischen Struktur-Faktor von Benzin, Flüssigkeiten oder amorphen Festkörpern zu bestimmen. Die meisten Experimente zielen jedoch auf die Struktur von kristallenen Festkörpern, Neutronbeugung ein wichtiges Werkzeug der Kristallographie machend.

Neutronbeugung ist nah mit der Röntgenstrahl-Puder-Beugung verbunden. Tatsächlich wird die Monokristall-Version der Technik weniger allgemein verwendet, weil zurzeit verfügbare Neutronquellen relativ große Proben verlangen und große Monokristalle hart oder unmöglich sind, durch für die meisten Materialien zu kommen. Zukünftige Entwicklungen können jedoch dieses Bild gut ändern. Weil die Daten normalerweise 1D Puder diffractogram sind, werden sie gewöhnlich mit der Verbesserung von Rietveld bearbeitet. Tatsächlich hat der Letztere seinen Ursprung in der Neutronbeugung (an Petten in den Niederlanden) gefunden und wurde später für den Gebrauch in der Röntgenstrahl-Beugung erweitert.

Eine praktische Anwendung des elastischen Neutronzerstreuens/Beugung ist, dass das Gitter, das von Metallen und anderen kristallenen Materialien unveränderlich ist, sehr genau gemessen werden kann. Zusammen mit einem genau ausgerichteten micropositioner eine Karte des durch den Blechkanister unveränderlichen Gitters abgeleitet werden. Das kann zum durch das Material erfahrenen Betonungsfeld leicht umgewandelt werden. Das ist verwendet worden, um Betonungen in Raumfahrt- und Automobilbestandteilen zu analysieren, um gerade zwei Beispiele anzuführen. Diese Technik hat zur Entwicklung der hingebungsvollen Betonung diffractometers wie das ENGIN-X Instrument an der ISIS Neutronquelle geführt.

Neutronbeugung kann auch verwendet werden, um Scharfsinnigkeit in die 3D-Struktur zu geben

neuartiger Moleküle wie Nanoparticles, Nanorods, Nanotubes, Fullerenes

.

Wasserstoff, sich ungültig zerstreuende und Kontrastschwankung

Neutronbeugung kann verwendet werden, um die Struktur von niedrigen Atomnummer-Materialien wie Proteine und surfactants viel leichter mit dem niedrigeren Fluss zu gründen, als an einer Synchrotron-Strahlenquelle. Das ist, weil einige niedrige Atomnummer-Materialien eine höhere böse Abteilung für die Neutronwechselwirkung haben als höher Atomgewicht-Materialien.

Ein Hauptvorteil der Neutronbeugung über die Röntgenstrahl-Beugung besteht darin, dass der Letztere gegen die Anwesenheit von Wasserstoff (H) in einer Struktur ziemlich unempfindlich ist, wohingegen die Kerne H und H (d. h. Schwerer Wasserstoff, D) starker scatterers für Neutronen sind. Das bedeutet, dass die Position von Wasserstoff in einer Kristallstruktur und seinen Wärmebewegungen viel genauer mit Neutronen bestimmt werden kann. Außerdem haben die Neutronzerstreuen-Längen b =-3.7406 (11) von und b = 6.671 (4) von, für H und D beziehungsweise, entgegengesetztes Zeichen, Kontrastschwankung berücksichtigend. Tatsächlich gibt es ein besonderes Isotop-Verhältnis, für das der Beitrag des Elements annullieren würde, wird das ungültiges Zerstreuen genannt. In der Praxis jedoch ist es nicht wünschenswert, mit der relativ hohen Konzentration von H in solch einer Probe zu arbeiten. Die sich zerstreuende Intensität durch H-Kerne hat einen großen unelastischen Bestandteil, und das schafft einen großen dauernden Hintergrund, der des sich zerstreuenden Winkels mehr oder weniger unabhängig ist. Das elastische Muster besteht normalerweise aus dem scharfen Nachdenken von Bragg, wenn die Probe kristallen ist. Sie neigen dazu, im unelastischen Hintergrund zu ertrinken. Das ist noch ernster, wenn die Technik für die Studie der flüssigen Struktur verwendet wird. Dennoch durch die Vorbereitung von Proben mit verschiedenen Isotop-Verhältnissen ist es möglich, das sich zerstreuende Unähnlichkeit genug zu ändern, um ein Element in einer sonst komplizierten Struktur hervorzuheben. Die Schwankung anderer Elemente ist möglich, aber gewöhnlich ziemlich teuer. Wasserstoff ist billig und besonders interessant, weil er eine außergewöhnlich große Rolle in biochemischen Strukturen spielt und schwierig ist, strukturell auf andere Weisen zu studieren.

Weiterführende Literatur

Angewandte rechenbetonte Puder-Beugungsdatenanalyse

Siehe auch

• Kristallographie
• Datenbank von Crystallographic
• Elektronbeugung
• Neutronkristallographie

Außenverbindungen

• Nationales Institut für Standards und Technologiezentrum für die Neutronforschung
• Betonungsentschluss in kristallenen Materialien