Transcript NeutronSpectroscopy

NEUTRONOVÁ
SPEKTROSKOPIE
1994
Nobelova cena
za fyziku
Cliff Shull
„za objev techniky
neutronové difrakce“
Bert Brockhouse
„za objev neutronové
spektroskopie“
Proč neutrony?
• vlnová délka je srovnatelná s meziatomovou
vzdáleností (1-5 Å)
• kinetická energie je srovnatelná s energií
excitací v pevné látce (1-100 meV)
• značná hloubka vniku i do pevné fáze =>
měříme vlastnosti bulku
• slabá interakce s látkou umožňuje snáze
interpretovat naměřená data
• neutrony „vidí“ jádra lehkých atomů i vedle
těžkých atomů
• neutrony „vidí“ také magnetické vlastnosti látky
Co je neutronová spektroskopie
Dopadne-li určitou rychlostí a určitým směrem letící neutron na krystal,
projde jím a rozptýlí se do jiného směru. Jestliže se při tom jeho rychlost
nezmění, hovoříme o pružném (elastickém) rozptylu - difrakci, změní-li se
jeho rychlost a tím i jeho kinetická energie, pak jde o nepružný (neelastický) rozptyl elektronu, který je podstatou neutronové spektroskopie.
Známe-li směr šíření a energii neutronu před rozptylem a po rozptylu,
můžeme z pružného rozptylu určit strukturu krystalu (střední polohy atomů)
a z nepružného rozptylu můžeme zjistit, jak atomy kolem těchto poloh
kmitají.
Znalost struktury usnadňuje pochopení mnoha fyzikálních vlastností
látek, z čehož vyplývá neobyčejný význam metodiky pružného rozptylu
neutronů. Je neocenitelná zejména při zjišťování struktury látek bohatých
na vodík, např. organických sloučenin. Podrobná znalost kmitů mřížky je
nezbytná pro porozumění mechanizmům tepelné a elektrické vodivosti,
supravodivosti, strukturních fázových přechodů a mnoha dalších jevů.
Zásluhou pionýrských prací B. N. Brockhouse máme k dispozici podrobné
atlasy spekter kmitů mřížky stovek různých druhů látek. Zásluhou C. G.
Shulla je dnes rutinní záležitostí určovat krystalovou a i magnetickou
strukturu kondenzovaných systémů rozptylem neutronů.
Polohy atomů v krystalové mříži
•
určujeme zpravidla difrakcí (tj. pružným rozptylem) rentgenového záření
(Braggův zákon), které je rozptylováno elektronovými obaly atomů =>
1) záření proniká do malé hloubky (~ 0.01mm), měříme spíše povrchovou
strukturu pevné látky
2) nelze jím zjistit polohy lehkých atomů, které mají málo elektronů
•
rozptyl NEUTRONŮ těmito nedostatky
netrpí:
1) neutron je elektricky neutrální a pronikne
i do větší hloubky krystalu
2) neutron je rozptylován jádry atomů,
„vidí“ tedy i lehké atomy
Pohyby atomů v krystalové mříži
•
Frekvence RTG záření s vlnovou délkou přibližně rovnou meziatomové
vzdálenosti je o několik řádů větší než typická frekvence kmitů krystalové
mříže (1013 Hz). Z velmi malé změny frekvence rozptýlené vlny proto
prakticky nelze stanovit frekvenci fononů.
•
U neutronů tomu tak není:
disperzní
relace
p2
E
2m
p  k  h   h /  2
h
  
E    h f
2m f

pro   1.4 Å je f  1013 Hz
Neutron, který prolétne krystalem, může mřížce předat část své energie
(rozkmitat mřížku). Dochází i k opačnému ději, kdy naopak kmitající
mřížka předá část své energie neutronu (absorbuje fonon). Ze změny
energie a směru šíření rozptýlených neutronů lze určit celé spektrum
kmitů mřížky, tj. jejich směr šíření, vlnovou délku a frekvenci.
ZÁKONY ZACHOVÁNÍ – NEPRUŽNÝ ROZPTYL
• kvaziimpulz
• energie
libovolný vektor reciproké mříže
  

ki  G  k f  K
dopadající
neutron
 emise fononu
- absorpce fononu
rozptýlený
neutron
2 2
 2 ki2  k f

 
2 mn 2 mn
energie
emitovaného /
absorbovaného
fononu
Magnetické vlastnosti krystalové mříže
Rozptylem neutronů je také možné zkoumat i magnetické uspořádání a
jeho dynamiku. Zejména atomy kovů nesou magnetické dipólové
momenty složené z vnitřních magnetických dipólů (spinů elektronů), které
jsou určitým způsobem uspořádány. I neutron má svůj spin, a i když je asi
tisíckrát menší než spin elektronu, interaguje s magnetickými dipóly
atomů. Pružným rozptylem neutronů můžeme tedy určit i magnetickou
strukturu látky: zda jsou všechny dipóly rovnoběžné (v látkách feromagnetických), či zda jsou sousední dipóly orientovány opačně (v
látkách antiferomagnetických), anebo je-li magnetické uspořádání ještě
složitější.
Magnetické dipóly nejsou zcela pevně orientovány, mohou se překlápět
a tento rozruch se šíří mřížkou v podobě spinových vln analogických
kmitům krystalové mřížky. Z nepružného magnetického rozptylu neutronů
lze získat základní charakteristiky spinových vln. Rozptyl neutronů hraje
velmi významnou úlohu pro pochopení magnetických vlastností látek.
Interakční mechanizmy v krystalové mříži
SROVNÁNÍ RŮZNÝCH DRUHŮ ANALYZUJÍCÍCH ZÁŘENÍ
Thermal Neutrons, 8 keV X-Rays, Low Energy Electrons:
Absorption by Matter
Technika rozptylového experimentu
Především je třeba mít dostatečně silný zdroj neutronů – atomové
reaktory. V reaktoru dochází k rozpadu radioaktivních atomů, při kterém
se uvolňují neutrony. Jako palivo se používá např. izotop U235. Při jeho
rozpadu vylétají z centra reaktoru velkou rychlostí tzv. horké neutrony,
které je třeba nejprve v moderátoru (těžká voda D2O) zbrzdit tak, aby
získaly vhodnou vlnovou délku pro rozptyl. Energie neutronů vyletujících z
moderátoru je určena jeho teplotou; při pokojové teplotě mají tzv. tepelné
neutrony rychlost asi 1 km/s a odpovídá jim vlnová délka asi 0.1 nm.
STUDENÝ
TEPELNÝ
HORKÝ
E / meV
0.1 - 10
5 - 100
100 - 500
T/K
1 - 120
60 - 1000
1000 - 6000
 / nm
3 - 0.4
0.4 - 0.1
0.1 - 0.04
Jak produkujeme neutrony
A) ŠTĚPNÉ REAKCE
1 neutron unikne
& lze jej použít
statisticky 0.5 neutronu
absorbováno
n1  U235  2 at. 2.5 n1  200MeV
tepelný
neutron
1 neutron
odštěpené
fragmenty
1 neutron zajistí další
štěpení (řetězová reakce)
2 až 3 neutrony
Jak produkujeme neutrony
B) HLUBOKÉ ŠTĚPNENÍ
mezijaderná
kaskáda
1 proton
odpařování
vnitřní kaskáda
Až 40 neutronů na jeden dopadající proton!
K získání spolehlivých informací o zkoumaném objektu musíme znát co
nejpřesněji směr šíření a energii neutronů před a po rozptylu. B.
Brockhouse za tím účelem zkonstruoval tzv. tříosý spektrometr (viz
předchozí snímek). Svazek neutronů nejprve dopadá na krystalový monochromátor (např. hliník, germanium, křemík, grafit), který vybere ze
svazku neutrony jen určité vlnové délky / rychlosti. Monochromatický svazek dopadá v určitém směru (1. osa) na krystal, rozptýlí se a ve zvoleném směru (2. osa) je na krystalovém analyzátoru difrakcí do určitého
směru (3. osa) zjišťována rychlost neutronů po rozptylu. Natáčením os se
mění vzájemná poloha objektu a dopadajících neutronů, energie rozptýlených neutronů se měří v různých směrech a tímto způsobem lze
změřit vlnovou délku a frekvenci kmitů mřížky šířících se v libovolném
směru. Natáčení os je řízeno počítačem a celé zařízení má rozměry
několika metrů. Je umístěno u některého z neutronových kanálů vycházejících z reaktoru. V porovnání s difrakcí rentgenového záření je
pořizovací cena experimentálních zařízení pro rozptyl neutronů neskonale vyšší. Vědecké výsledky, které tato metodika stále přináší, však
nesporně stojí za to. Každé čtyři roky se pořádají sympozia za účasti
stovek vědců. Jejich zájem se postupně přesouval od anorganických
krystalů ke zkoumání struktury a dynamiky složitějších systémů, jako jsou
molekulární krystaly, polymery, skla, makromolekuly, kapaliny aj.
Nejvýkonnější zařízení tohoto druhu je v současné době v mezinárodním ústavu Laueho-Langevina v Grenoblu, které poskytuje
svazky o intenzitě řádově 1014 neutronů na cm2 za 1 s.
Neutrony ukazují
kde atomy jsou…
…a co atomy dělají.
Co NEUTRONOVÁ SPEKTROSKOPIE ukazuje
Length scale in nm
0.01
0.1
0.3
atomic and
magnetic
structures
internal strain
0.1
1.0
3.0
10
30
100
organic
surfaces and multilayers
viruses
molecules
inhomogeneities
cracks and voids
magnetic defects
micelles critical phenomena
pharmaceuticals
proteins
supermolecules
polymers
0.3
1.0
2.0
neutron wavelength in nm