Neutrondiffrakció

A neutron elektromosan semleges részecske, e tulajdonságának köszönhetően képes mélyen behatolni az anyagba és annak atommagjaival kölcsönhatásba lépni.

A neutron egy olyan részecske, amelynek:

- tömege 1,675×10-27 kg,

- mágneses momentuma -1,913 μNN- nukleáris magneton),

- a termikus neutron energiája kb. 290K hőmérsékleten 25meV.

Ezek a tulajdonságok teszik lehetővé atomi szinten a szerkezet meghatározást: a neutronok behatolhatnak az anyagba, anélkül hogy kémiai kötéseket szakítanának fel és az atommagon szóródnak. A termikus neutronok hullámhossza, ami a reaktorból vagy részecskegyorsítóból származik, 0,1 és 20 Å (1 Å = 0,1 nm = 10-10 m) között mozoghat, ami megfelel az atomok közti távolságnak.

A vizsgált anyagon kétféle szóródás jöhet létre: az atommag által, ez a magszórás, ami minden atomnál előfordul, és a mágneses anyagoknál a mágneses szórás, ami az elektronok kompenzálatlan spinjével való kölcsönhatás következtében lép fel. Mindkettő lehet rugalmas vagy rugalmatlan, esetünkben a rugalmas magszórás bír jelentőséggel.

A neutrondiffrakció az anyag fizikai tulajdonságait döntően befolyásoló atomi szerkezetek meghatározására alkalmas módszer, amely a neutronoknak az anyagon való rugalmas szóródásán alapul.

Amikor a neutronnyaláb, ami jellemezhető l hullámhosszúságú síkhullámmal, szóródik az atommagon, akkor a hullám szóródása a V(r) kölcsönhatási potenciáltól függ, ami a mag és az attól távolságra levő neutron között hat. A V(r) értéke hamar nullára csökken, mivel a mag mérete 10-14 m, míg a neutron hullámhossza 10-10 m nagyságrendű, így az atommag pontszerű szóró felületnek tekinthető. A szórt nyaláb –b/r amplitúdójú, ahol b a magszórási hossz (vagy amplitúdó).

Mivel a mag pontszerű szóró centrumként viselkedik, ezért a b értéke nem függ a szögtől. Vagyis b értéke a teljes diffrakciós tartományban állandó, ami megkönnyíti a neutronos adatok kiértékelését, szemben a sokkal szélesebb körben elterjedt röntgenszórással, ahol a szórási amplitúdó erőteljesen lecseng a nagy szórási szögeknél.

A neutronszórási amplitudó elemről elemre változik, sőt egyes elemek különböző izotópjaira is nagyon eltérő értékű lehet. Neutrondiffrakció esetén lehetőség van egy adott elem többféle izotópjának a felhasználására is. A legtöbb neutronszórási hossz pozitív, de negatív értékek is megjelennek. A negatív érték esetén a neutron ’hullám’ fázisa nem változik a szórás közben, míg a pozitív b egy 180˚ fázismódosulásra utal. Ha a vizsgált rendszer fizikai-kémiai tulajdonságai nem érzékenyek az izotóphelyettesítésre, és ha a lényegesen különböző szórási amplitúdójú izotópot tartalmazó minták száma megegyezik a parciális korrelációs függvények számával, akkor ’teljes szerkezet-meghatározást’ végezhetünk.