Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 172
Текст из файла (страница 172)
т. %, 9 61). Такие же методы применимы и в нейтронографии, основанной на дифракции тепловых нейтронов. Метод Дебая — Шерера — Хелла (метод порошка) в нейтронографии обычно применяется в тех случаях, когда трудно или даже невозможно выращивать достаточно крупные моно- кристаллы. Но использование порошков дает меньшую информацию по сравнению с тем, что можно получить, используя монокристаллы и добиваясь получения отражения нейтронных волн от максимально возможного числа атомных плоскостей. Основными методами структурного анализа объемных объектов являются рентгенография и нейтронография. Электронография изза незначительной проникающей способности электронов применяется преимущественно для исследования поверхностных структур.
Метод дифракции нейтронов по распространенности не может сравниться с рентгеновским методом из-за ограниченной доступности источников нейтронов. Однако нейтронографический метод может выявить такие особенности структуры изучаемых обьектов, которые недоступны рентгеновскому методу, и наоборот. Это связано с тем, что особенности дифракционных картин определяются не только длиной волны, но и другими физическими свойствами, которые у нейтронов и рентгеновских квантов различны. Оба метода не противоречат, а взаимно дополняют друг друга.
3. В нашу задачу не входит изложение методов и результатов нейтронографии. Отметим только некоторые принципиальные особенности, которые во многих областях делают нейтронографические методы незаменимыми. При одной н той же длине волны энергии рентгеновских квантов, электронов и нейтронов не одинаковы. Так, при Л = 10 г см, как легко вычислить, энергия рентгеновского кванта равна 12,5 кэВ, энергия [Гл.
Х!Н Нейтроны и деление атомнь х ядер 672 электрона 150 эВ, а энергия нейтрона всего 0.,08 эВ. Малая энергия частиц, из которых состоиг излучение, существенна при облучении легко разрушаемых, например биологических, объектов. В этом отношении предпочтение надо отдать нейтронам по сравнению с рентгеновскими квантами. Рентгеновские волны рассеиваются электронными оболочками атомов. Амплитуда рассеяния (определение этого понятия см. в п.
4) рентгеновских волн на атоме пропорциональна числу электронов в оболочке, т.е. зарядовому числу У. Поэтому эти амплитуды сильно отличаются для легких и тяжелых атомов. Рентгенография практически не позволяет различать в кристалле разные атомы, если в них содержится почти одинаковое число электронов; совсем неразличимы изотопы одного и того же элемента. Рентгенография практически не позволяет обнаружить очень легкие атомы (например, водород) на фоне тяжелых (свинец, торий, уран, редкоземельные элементы и пр.).
Но все это доступно методам нейтронографии, так как на нейтроны действуют не электрические, а ядерные силы — эти частицы рассеиваются атомными ядрами. Поэтому дифракция нейтронов дает информацию не об электронных оболочках, а о расположении атолшых ядер центров самих атомов. Амплитуды рассеяния и связанные с ними сечения нейтронов на ядрах одного и того же порядка для всех ядер — от самых легких до самых тяжелых. Поэтому-то на рентгенограммах химических соединений, содержащих как легкие, так и тяжелые элементы 1Н20, РЬ8, ТпОз и т.д.), дифракция на легких атомах едва заметна, тогда как на нейтронограммах она проявляется отчетливо. Все же амплитуды рассеяния и сечения нейтронов на ядрах, оставаясь одного порядка по величине, нерегулярно меняются (иногда резко) при переходе от одного ядра к соседнему и от одного изотопа к другому изотопу того же элемента (см.
табл. 18). Поэтому методы нейтронографии особенно необходимы для расшифровки структуры сплавов и химических соединений из элементов с близкими зарядовыми числами (ЕсСо, %Мп и т. д.), компоненты которых имеют сходные электронные конфигурации, но резко различаются по ядерным сечениям. Нейтроны не имеют электрического заряда и поэтому нспосредствонно не вызывают ионизации вещества.
Ионизация вызывается вторичными заряженными частицами (протонами отдачи, электронами, позитронами), порождаемыми нейтронами при ядерных столкновениях. Эти заряженныс частицы в нейтронографии и регистрируются детекторами. Нейтроны не действуют и на фотопластинку, так как фотографическое действие вызывается электрическими, а не ядерными силами. Чтобы для регистрации нейтронов использовать фотопластинку, фотослой покрывают фольгой из элементов, которые под действием нейтронов становятся Д- или 7-активными (Сп', Оу, 1п).
В местах, куда попадают нейтроны, они реагируют с ядрами фольги. Образуются радиоактивные ядра, излучения которых и действуют на фогопластинку. Первые нейтронограммы были получены с помощью фотографического метода на экране из индия и фотопленки в 1948 г. (см. 8 18, п. 9). Созданная к настоящему времени фольга из смеси о1лГ ХпЯ(А8) з 99) Нейтпроннал оптика 673 ь ь ф1 = — ф = — е' т т (99.5) 22 д.в. сивухин. 'Г.ч в сочетании с высокочувствительной рентгеновской пленкой позволяет фотометоду успешно конкурировать с традиционными методами детектирования нейтронов.
Жесткие рентгеновские лучи рассеиваются преимущественно вперед. При тех же длинах волн рассеяние ней"гронов происходит изотропно. Поэтому при переходе к большим углам рассеяния интенсивность рентгеновских пиков на рентгенограмме резко падает, тогда как на нейтронограмме интенсивность нейтронных максимумов почти не меняется.
Проникающая способность нейтронов в тысячи раз болыпе, чем у рентгеновских лучей той же длины волны. Это связано с тем, что благодаря электрической нейтральности нейтрон не подвергается воздействию кулоновского поля атома, а потому легко проникает внугрь его и взаимодействует с ядром посредством ядерных сил. Поэтому для исследования внутренних областей образцов нейтронографические методы более эффективны., чем рентгеновские. Особенно большое значение нейтронографический метод получил для исследования биологических макромолекул. Химический состав последних ограничен ирак гически четырьмя элементами — водородом, углеродом, азотом и кислородом, которые являются близкими соседями по периодической системе Менделеева.
А как уже подчеркивалось выше, это обстоятельство делает их практически неразличимыми рентгенографическим методом. Сложность же структурного анализа биологических кристаллов иллюстрируется следующим примером. Элементарная ячейка миоглобина содержит 1200 атомов. Для достижения нужного разрешения 0,14 — 0,2 нм были произведены измерения с использованием более чем 10000 брэгговских отражений. Тепловые и холодные нейтроны (если они не захватываются ядрами) не возбуждают атомные ядра и даже сами атомы. Но они могут возбуди"гь акустические колебания кристаллической решетки .
фононы. Это даст метод установления одной из важнейших характеристик вещества -- закона дисперсии, т.е. зависимости энергии 11 элементарного возбуждения от его импульса р. Именно таким методом была получена кривая на рис. 116, первоначально постулированная Ландау на основе термодинамических соображений в его теории сверхтекучести (см. 9 61). 4. Процесс распространения нейтронных волн в среде, частным случаем которого является дифракция, детально может быть описан подобно тому, как описывается распространение световых волн в молекулярной оптике.
В основу такого описания кладут элементарные акты рассеяния нейтронных волн на отдельных атомных ядрах. Пусть на ядро падает плоская монохроматическая нейтронная волна вида ф = е'~'. Рассеянная атомным ядром волна на далеких расстояниях в линейном приближении может быть представлена в виде [Гл. Х!Н Нейтроны и деление атояен х ядер где постоянная величина Ь, имеющая размерность длины, называется мплитудой рассеяния (начало координат помещено в рассеивающем центре, т.е. в центре ядра атома).
Она может зависеть от направления рассеяния. Но если ядро сферически-симметрично, а его размеры пренебрежимо малы по сравнению с длиной нейтронной волны (только такие волны и рассматриваются в этом параграфе), то такой зависимости нет, т. е. само рассеяние также сферически-симметрично. Через амплитуду рассеяния можно выразить эффективное сечение о рассеяния нейтронной волны на атомном ядре. Плотность вероятности нахождения рассеянного нейтрона в пространстве равна ~рр1~ = я (г, плотность радиального потока вероятности и~ф1~а = = и~Ь|~(г~, где и радиальная скорость нейтрона. Вероятное число нейтронов, проходящих в одну секунду через площадку йВ, нормальную к радиусу будет е18и~Ь~а/гэ = и)Ь!з сИ, где е1П = е1Я/гз — телесный угол., под которым видна площадка йЯ из центра ~ассеяния.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
