Nötron kırınımı - Neutron diffraction

Bilim nötronlar
Neutron.svg
Vakıflar
Nötron saçılması
Diğer uygulamalar
Altyapı
Nötron tesisleri

Nötron kırınımı veya elastik nötron saçılması uygulaması nötron saçılması bir malzemenin atomik ve / veya manyetik yapısının belirlenmesi. İncelenecek bir numune, bir ışın demetine yerleştirilir. termal veya soğuk nötronlar malzemenin yapısı hakkında bilgi sağlayan bir kırınım modeli elde etmek. Teknik benzerdir X-ışını difraksiyon ancak farklı saçılma özellikleri nedeniyle, nötronlar ve X ışınları tamamlayıcı bilgi sağlar: X-Ray'ler yüzeysel analiz için uygundur, güçlü x-ışınları senkrotron radyasyonu sığ derinlikler veya ince numuneler için uygunken, yüksek penetrasyon derinliğine sahip nötronlar toplu numuneler için uygundur.[1]

Enstrümantal ve örnek gereksinimler

Teknik, bir nötron kaynağı gerektirir. Nötronlar genellikle bir nükleer reaktör veya dökülme kaynağı. Bir araştırma reaktörü dahil olmak üzere diğer bileşenlere ihtiyaç vardır kristal monokromatör, istenen nötron dalga boyunu seçmek için filtrelerin yanı sıra. Kurulumun bazı bölümleri taşınabilir de olabilir. Bir spallasyon kaynağında, uçuş zamanı tekniği, gelen nötronların enerjilerini sıralamak için kullanılır (daha yüksek enerjili nötronlar daha hızlıdır), bu nedenle monokromatöre ihtiyaç duyulmaz, bunun yerine nötron darbelerini istenen dalga boyuyla filtrelemek için senkronize edilmiş bir dizi açıklık elemanı .

Teknik genellikle şu şekilde gerçekleştirilir: toz kırınımı, bu sadece polikristalin bir toz gerektirir. Tek kristal çalışması da mümkündür, ancak kristaller, tek kristalde kullanılanlardan çok daha büyük olmalıdır. X-ışını kristalografisi. Yaklaşık 1 mm olan kristallerin kullanılması yaygındır.3.[2]

Özetle, nötron kırınımının ana dezavantajı, bir nükleer reaktör için gereksinimdir. Tek kristal işi için, teknik, genellikle büyümesi zor olan nispeten büyük kristaller gerektirir. Tekniğin avantajları çoktur - ışık atomlarına duyarlılık, izotopları ayırt etme yeteneği, radyasyon hasarının olmaması,[2] ve birkaç cm penetrasyon derinliği[1]

Nükleer saçılma

Hepsi gibi kuantum parçacıklar nötronlar, tipik olarak ışık veya ses ile ilişkili dalga fenomeni sergileyebilir. Kırınım bu fenomenlerden biridir; dalgalar, boyutları ile karşılaştırılabilir engellerle karşılaştığında meydana gelir. dalga boyu. Bir kuantum parçacığının dalga boyu yeterince kısaysa, atomlar veya çekirdekleri kırınım engelleri görevi görebilir. Bir reaktörden yayılan bir nötron ışını yavaşlatıldığında ve hızlarına göre uygun şekilde seçildiğinde, dalga boyları bir Angstrom (0.1 nanometre ), katı bir malzemedeki atomlar arasındaki tipik ayrım. Böyle bir ışın daha sonra bir kırınım deneyi gerçekleştirmek için kullanılabilir. Kristal bir numuneye çarptığında, aynı şekilde sınırlı sayıda iyi tanımlanmış açı altında dağılacaktır. Bragg yasası X-ışını kırınımını açıklar.

Nötronlar ve X-ışınları maddeyle farklı şekilde etkileşime girer. X-ışınları öncelikle elektron her atomu çevreleyen bulut. Kırınımlı x-ışını yoğunluğuna katkı bu nedenle daha büyük olan atomlar için daha büyüktür. atom numarası (Z). Öte yandan, nötronlar doğrudan çekirdek atomun ve kırınımlı yoğunluğun katkısı her birine bağlıdır. izotop; örneğin, normal hidrojen ve döteryum farklı şekilde katkıda bulunur. Aynı zamanda, hafif (düşük Z) atomların, büyük Z atomlarının varlığında bile kırınım yoğunluğuna güçlü bir şekilde katkıda bulunduğu durumdur. Saçılma uzunluğu, atom numarasıyla doğrusal olarak değil, izotoptan izotopa değişir. Gibi bir unsur vanadyum X-ışınlarını güçlü bir şekilde dağıtır, ancak çekirdeği nötronları neredeyse hiç dağıtmaz, bu nedenle genellikle bir kap malzemesi olarak kullanılır. Manyetik olmayan nötron kırınımı, atomların çekirdeklerinin konumlarına doğrudan duyarlıdır.

Nötronların saçıldığı atom çekirdekleri çok küçüktür. Ayrıca, bir atomik form faktörü Atomun elektron bulutunun şeklini ve bir atomun saçılma gücünü tanımlamak, X-ışınlarında olduğu gibi saçılma açısı ile düşmez. Difraktogramlar bu nedenle, özellikle deney düşük sıcaklıklarda yapılırsa, yüksek açılarda bile güçlü, iyi tanımlanmış kırınım zirveleri gösterebilir. Çoğu nötron kaynağı, 4,2 K'ye kadar düşük sıcaklıklarda veri toplamaya izin veren sıvı helyum soğutma sistemleriyle donatılmıştır. Mükemmel yüksek açı (yani yüksek çözüm) bilgi, yapıdaki atomik konumların yüksek hassasiyetle belirlenebileceği anlamına gelir. Diğer taraftan, Fourier haritaları (ve daha az ölçüde fark Fourier haritaları ) nötron verilerinden türetilen seri sonlandırma hatalarından muzdariptir, bazen o kadar fazla ki sonuçlar anlamsızdır.

Manyetik saçılma

Nötronlar yüksüz olsalar da, bir manyetik moment ve bu nedenle, bir atomun etrafındaki elektron bulutundan kaynaklananlar da dahil olmak üzere manyetik momentlerle etkileşime girer. Nötron kırınımı bu nedenle mikroskobik manyetik yapı bir malzemenin.[3]

Manyetik saçılma, bir atomik form faktörü minik çekirdeğin etrafındaki çok daha büyük elektron bulutundan kaynaklandığı için. Kırınım zirvelerine manyetik katkının yoğunluğu bu nedenle daha yüksek açılara doğru azalacaktır.

Kullanımlar

Nötron kırınımı, statik yapı faktörü nın-nin gazlar, sıvılar veya amorf katılar. Bununla birlikte çoğu deney, kristalin katıların yapısını hedefleyerek nötron kırınımını önemli bir kristalografi.

Nötron kırınımı, X-ışını ile yakından ilgilidir toz kırınımı.[4] Aslında, tekniğin tek kristal versiyonu daha az yaygın olarak kullanılmaktadır çünkü şu anda mevcut nötron kaynakları nispeten büyük numuneler gerektirmektedir ve büyük tek kristallerin çoğu malzeme için elde edilmesi zor veya imkansızdır. Ancak gelecekteki gelişmeler bu tabloyu değiştirebilir. Veriler tipik olarak 1 boyutlu bir toz difraktogram olduğundan, genellikle Rietveld iyileştirme. Aslında ikincisi, kökenini nötron kırınımında (Hollanda'daki Petten'de) buldu ve daha sonra X ışını kırınımında kullanılmak üzere genişletildi.

Elastik nötron saçılması / kırınımının pratik bir uygulaması şudur: kafes sabiti nın-nin metaller ve diğer kristal malzemeler çok doğru bir şekilde ölçülebilir. Doğru şekilde hizalanmış bir mikro konumlandırıcıyla birlikte, metal boyunca kafes sabitinin bir haritası çıkarılabilir. Bu, kolayca stres malzemenin deneyimlediği alan.[1] Bu, içindeki gerilimleri analiz etmek için kullanılmıştır. havacılık ve otomotiv bileşenlere sadece iki örnek verelim. Yüksek penetrasyon derinliği, krank milleri, pistonlar, raylar, dişliler gibi toplu bileşenlerde artık gerilmelerin ölçülmesine izin verir. Bu teknik, özel stres difraktometrelerinin geliştirilmesine yol açmıştır. ENGIN-X Enstrüman ISIS nötron kaynağı.

Nötron kırınımı, kırınan herhangi bir malzemenin 3B yapısına ilişkin fikir vermek için de kullanılabilir.[5][6]

Başka bir kullanım, çözüm numarası elektrolit çözeltilerinde iyon çiftleri.

Manyetik saçılma etkisi, malzemelerdeki manyetik momentleri ölçmek ve manyetik dipol yönelimini ve yapısını incelemek için nötron kırınım tekniğinin kurulmasından bu yana kullanılmıştır. Nötron kırınımının en eski uygulamalarından biri, manyetik dipol yönelimlerinin çalışmasındaydı. antiferromanyetik manganez, demir, nikel ve kobalt oksitler gibi geçiş metal oksitler. İlk olarak Clifford Shull tarafından gerçekleştirilen bu deneyler, bir malzeme yapısındaki manyetik dipollerin antiferromanyetik düzenlemesinin varlığını gösteren ilk deneylerdir.[7] Şimdi, nötron kırınımı, yeni geliştirilen manyetik malzemeleri karakterize etmek için kullanılmaya devam ediyor.

Hidrojen, sıfır saçılma ve kontrast değişimi

Nötron kırınımı, proteinler ve yüzey aktif maddeler gibi düşük atom numaralı malzemelerin yapısını, bir senkrotron radyasyon kaynağına göre daha düşük akı ile çok daha kolay oluşturmak için kullanılabilir. Bunun nedeni, bazı düşük atom numaralı malzemelerin nötron etkileşimi için daha yüksek atom ağırlıklı malzemelerden daha yüksek bir enine kesite sahip olmasıdır.

Nötron kırınımının X-ışını kırınımına göre önemli bir avantajı, ikincisinin, X-ışını kırınımının varlığına oldukça duyarsız olmasıdır. hidrojen (H) bir yapıda, çekirdekler ise 1El 2H (yani Döteryum, D) nötronlar için güçlü saçıcılardır. Protonların ve döteronların daha büyük saçılma gücü, bir kristaldeki hidrojenin pozisyonunun ve termal hareketlerinin nötron kırınımı ile daha büyük bir hassasiyetle belirlenebileceği anlamına gelir. Yapıları metal hidrit kompleksleri, Örneğin., Mg2FeH6 nötron kırınımı ile değerlendirilmiştir.[8]

Nötron saçılma uzunlukları bH = −3,7406 (11) fm [9] ve bD = 6.671 (4) fm,[9] Sırasıyla H ve D için, tekniğin onları ayırt etmesine izin veren zıt işaretlere sahiptir. Aslında belirli bir izotop elemanın katkısının iptal edeceği oran, buna boş saçılma denir.

Bir numunede nispeten yüksek H konsantrasyonu ile çalışmak istenmez. H-çekirdeklerinin saçılma yoğunluğu büyük bir esnek olmayan bileşene sahiptir ve bu da saçılma açısından aşağı yukarı bağımsız olan geniş bir sürekli arka plan oluşturur. Elastik desen tipik olarak keskin Bragg yansımaları örnek kristal ise. Esnek olmayan arka planda boğulma eğilimindedirler. Teknik, sıvı yapının incelenmesi için kullanıldığında bu daha da ciddidir. Bununla birlikte, farklı izotop oranlarına sahip numuneler hazırlayarak, başka türlü karmaşık bir yapıdaki bir öğeyi vurgulamak için saçılma kontrastını yeterince değiştirmek mümkündür. Diğer elemanların varyasyonu mümkündür, ancak genellikle oldukça pahalıdır. Hidrojen ucuzdur ve özellikle ilginçtir çünkü biyokimyasal yapılarda son derece büyük bir rol oynar ve yapısal olarak başka şekillerde çalışmak zordur.

Tarih

İlk nötron kırınım deneyleri 1945'te Ernest O. Wollan Grafit Reaktörü kullanarak Oak Ridge. Kısa bir süre sonra katıldı (Haziran 1946)[10] tarafından Clifford Shull ve birlikte tekniğin temel ilkelerini oluşturdular ve buzun yapısı ve malzemelerdeki manyetik momentlerin mikroskobik düzenlemeleri gibi sorunları ele alarak birçok farklı malzemeye başarıyla uyguladılar. Bu başarı için Shull, 1994'ün yarısı ile ödüllendirildi. Nobel Fizik Ödülü. (Wollan 1984'te öldü). (1994 Nobel Fizik Ödülünün diğer yarısı, Bert Brockhouse inelastik saçılma tekniğinin geliştirilmesi için Chalk River tesisi nın-nin AECL. Bu aynı zamanda üç eksenli spektrometrenin icadını da içeriyordu). Elde edilen çalışma (1946) ile Brockhouse ve Shull'a verilen Nobel Ödülü (1994) arasındaki gecikme, onları buluş arasındaki gecikmeye yaklaştırır. Ernst Ruska elektron mikroskobu (1933) - ayrıca parçacık optiği alanında - ve kendi Nobel ödülü (1986). Bu da Peyton Rous'un keşifleri ile 1966 Nobel Ödülü arasındaki 55 yıllık rekora yakın.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c Nötron kullanan malzemelerdeki artık gerilmenin ölçülmesi, IAEA, 2003
  2. ^ a b Paula M. B. Piccoli, Thomas F. Koetzle, Arthur J. Schultz "İnorganik Kimyacı İçin Tek Kristal Nötron Kırınımı - Pratik Bir Kılavuz" İnorganik Kimya 2007, Cilt 28, 3-38 üzerine Yorumlar. doi:10.1080/02603590701394741
  3. ^ Manyetik malzemelerin nötron kırınımı / Yu. A. Izyumov, V.E. Naish ve R.P. Ozerov; Joachim Büchner tarafından Rusça'dan çevrilmiştir. New York: Danışmanlar Bürosu, c1991.ISBN  0-306-11030-X
  4. ^ Nötron tozu kırınımı Richard M. Ibberson ve William I.F. David, Yapı belirleme bölüm 5, toz kırınım verisi oluşturur, kristalografi üzerine IUCr monographphs, Oxford bilimsel yayınları 2002, ISBN  0-19-850091-2
  5. ^ Ojeda-May, P .; Terrones, M .; Terrones, H .; Hoffman, D .; et al. (2007), "Tek duvarlı karbon nanotüplerin kiralitelerinin nötron toz kırınım tekniği ile belirlenmesi", Elmas ve İlgili Malzemeler, 16: 473–476, Bibcode:2007DRM .... 16..473O, doi:10.1016 / j.diamond.2006.09.019
  6. ^ Sayfa, K .; Proffen, T .; Niederberger, M .; Seshadri, R. (2010), "BaTiO3 Nanopartiküllerinde Yerel Dipollerin ve Ligand Yapısının İncelenmesi", Malzemelerin Kimyası, 22: 4386–4391, doi:10.1021 / cm100440p
  7. ^ Shull, C. G .; Strauser, W. A .; Wollan, E.O. (1951-07-15). "Paramanyetik ve Antiferromanyetik Maddelerle Nötron Kırınımı". Fiziksel İnceleme. Amerikan Fiziksel Derneği (APS). 83 (2): 333–345. doi:10.1103 / physrev.83.333. ISSN  0031-899X.
  8. ^ Robert Bau, Mary H. Drabnis "Nötron kırınımı ile belirlenen geçiş metal hidrürlerinin yapıları" Inorganica Chimica Açta 1997, cilt. 259, s / 27-50. doi:10.1016 / S0020-1693 (97) 89125-6
  9. ^ a b Sears, V. F. (1992), "Nötron saçılma uzunlukları ve kesitleri", Nötron Haberleri, 3: 26–37, doi:10.1080/10448639208218770
  10. ^ Shull, Clifford G. (1995-10-01). "Nötron saçılmasının erken gelişimi". Modern Fizik İncelemeleri. Amerikan Fiziksel Derneği (APS). 67 (4): 753–757. doi:10.1103 / revmodphys.67.753. ISSN  0034-6861.

daha fazla okuma

  • Lovesey, S.W. (1984). Yoğun Maddeden Nötron Saçılması Teorisi; Cilt 1: Nötron Saçılımı. Oxford: Clarendon Press. ISBN  0-19-852015-8.
  • Lovesey, S.W. (1984). Yoğun Maddeden Nötron Saçılması Teorisi; Cilt 2: Yoğun Madde. Oxford: Clarendon Press. ISBN  0-19-852017-4.
  • Squires, G.L. (1996). Termal Nötron Saçılması Teorisine Giriş (2. baskı). Mineola, New York: Dover Publications Inc. ISBN  0-486-69447-X.

Uygulamalı Hesaplamalı Toz Kırınımı Veri Analizi

  • Young, R.A., ed. (1993). Rietveld Yöntemi. Oxford: Oxford University Press & International Union of Crystallography. ISBN  0-19-855577-6.

Dış bağlantılar