NEUTRONOVÁ SPEKTROSKOPIE 1994 Nobelova cena za fyziku Cliff Shull Bert Brockhouse „za objev techniky neutronové difrakce“ „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 (ne-elastický) 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 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 energie emitovaného / absorbovaného fononu libovolný vektor reciproké mříže + emise fononu - absorpce fononu dopadající neutron rozptýlený neutron

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 fe-romagnetických), 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.

Jak produkujeme neutrony A) ŠTĚPNÉ REAKCE tepelný neutron odštěpené fragmenty 1 neutron zajistí další štěpení (řetězová reakce) statisticky 0.5 neutronu absorbováno 1 neutron unikne & lze jej použít 1 neutron 2 až 3 neutrony

Jak produkujeme neutrony B) HLUBOKÉ ŠTĚPNENÍ 1 proton vnitřní kaskáda mezijaderná kaskáda odpařování 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 mo-nochromátor (např. hliník, germanium, křemík, grafit), který vybere ze svazku neutrony jen určité vlnové délky / rychlosti. Monochromatický sva-zek dopadá v určitém směru (1. osa) na krystal, rozptýlí se a ve zvole-ném 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 roz-ptýlených 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 vy-cházejících z reaktoru. V porovnání s difrakcí rentgenového záření je pořizovací cena experimentálních zařízení pro rozptyl neutronů nesko-nale 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 mezi-národním 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