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| Ciencia con neutrones |
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La dispersión de neutrones , la dispersión irregular de neutrones libres por la materia, puede referirse al proceso físico natural en sí mismo oa las técnicas experimentales hechas por el hombre que utilizan el proceso natural para investigar materiales. El fenómeno natural / físico es de importancia elemental en la ingeniería nuclear y las ciencias nucleares. En cuanto a la técnica experimental, comprender y manipular la dispersión de neutrones es fundamental para las aplicaciones utilizadas en la cristalografía , la física , la química física , la biofísica y la investigación de materiales .
La dispersión de neutrones se practica en reactores de investigación y fuentes de neutrones de espalación que proporcionan radiación de neutrones de diferentes intensidades . Las técnicas de difracción de neutrones ( dispersión elástica ) se utilizan para analizar estructuras; donde la dispersión de neutrones inelástica se utiliza para estudiar vibraciones atómicas y otras excitaciones .
Dispersión de neutrones rápidos [ editar ]
Los "neutrones rápidos" (consulte la temperatura de los neutrones ) tienen una energía cinética superior a 1 MeV . Pueden ser dispersados por materia condensada (núcleos que tienen energías cinéticas muy por debajo de 1 eV) como una aproximación experimental válida de una colisión elástica con una partícula en reposo. Con cada colisión, el neutrón rápido transfiere una parte significativa de su energía cinética al núcleo de dispersión (materia condensada), cuanto más ligero es el núcleo. Y con cada colisión, el neutrón "rápido" se ralentiza hasta que alcanza el equilibrio térmico con el material en el que está disperso.
Los moderadores de neutrones se utilizan para producir neutrones térmicos , que tienen energías cinéticas por debajo de 1 eV (T <500K). [1] Los neutrones térmicos se utilizan para mantener una reacción en cadena nuclear en un reactor nuclear y como herramienta de investigación en experimentos de dispersión de neutrones y otras aplicaciones de la ciencia de los neutrones (ver más abajo). El resto de este artículo se concentra en la dispersión de neutrones térmicos.
Interacción neutrón-materia [ editar ]
Debido a que los neutrones son eléctricamente neutros, penetran más profundamente en la materia que las partículas cargadas eléctricamente de energía cinética comparable y, por lo tanto, son valiosos como sondas de propiedades generales.
Los neutrones interactúan con los núcleos atómicos y con los campos magnéticos de electrones no apareados, provocando una interferencia pronunciada y efectos de transferencia de energía en los experimentos de dispersión de neutrones. A diferencia de un fotón de rayos X con una longitud de onda similar, que interactúa con la nube de electrones que rodea el núcleo , los neutrones interactúan principalmente con el núcleo mismo, como lo describe el pseudopotencial de Fermi . Las secciones transversales de dispersión y absorción de neutrones varían ampliamente de un isótopo a otro.
La dispersión de neutrones puede ser incoherente o coherente, también dependiendo del isótopo. Entre todos los isótopos, el hidrógeno tiene la sección transversal de dispersión más alta. Elementos importantes como el carbono y el oxígeno son bastante visibles en la dispersión de neutrones, lo que contrasta notablemente con la dispersión de rayos X, donde las secciones transversales aumentan sistemáticamente con el número atómico. Por lo tanto, los neutrones se pueden usar para analizar materiales con números atómicos bajos, incluidas proteínas y tensioactivos. Esto se puede hacer en fuentes de sincrotrón, pero se necesitan intensidades muy altas, lo que puede hacer que las estructuras cambien. El núcleo proporciona un rango muy corto, ya que el potencial isotrópico varía aleatoriamente de un isótopo a otro, lo que hace posible ajustar el contraste (de dispersión) para que se adapte al experimento.
La dispersión casi siempre presenta componentes tanto elásticos como inelásticos. La fracción de dispersión elástica está determinada por el factor Debye-Waller o el factor Mössbauer-Lamb . Dependiendo de la pregunta de investigación, la mayoría de las mediciones se concentran en la dispersión elástica o inelástica.
Es importante lograr una velocidad precisa, es decir, una energía precisa y una longitud de onda de De Broglie , de un haz de neutrones. Estos haces de energía única se denominan "monocromáticos" y la monocromaticidad se logra con un monocromador de cristal o con un espectrómetro de tiempo de vuelo (TOF) . En la técnica del tiempo de vuelo, los neutrones se envían a través de una secuencia de dos rendijas giratorias de modo que solo se seleccionan los neutrones de una velocidad particular. Se han desarrollado fuentes de espalación que pueden crear un pulso rápido de neutrones. El pulso contiene neutrones de muchas velocidades diferentes o longitudes de onda de De Broglie, pero las velocidades separadas de los neutrones dispersos se pueden determinar posteriormente. midiendo el tiempo de vuelo de los neutrones entre la muestra y el detector de neutrones.
Dispersión magnética [ editar ]
El neutrón tiene una carga eléctrica neta de cero, pero tiene un momento magnético significativo , aunque solo alrededor del 0,1% del del electrón . Sin embargo, es lo suficientemente grande como para dispersarse de los campos magnéticos locales dentro de la materia condensada, proporcionando una sonda de interacción débil y, por lo tanto, penetrante de estructuras magnéticas ordenadas y fluctuaciones de espín de electrones. [2]
Dispersión inelástica de neutrones [ editar ]
La dispersión inelástica de neutrones es una técnica experimental comúnmente utilizada en la investigación de la materia condensada para estudiar el movimiento atómico y molecular, así como las excitaciones del campo magnético y cristalino. [3] [4] Se distingue de otras técnicas de dispersión de neutrones al resolver el cambio en la energía cinética que ocurre cuando la colisión entre los neutrones y la muestra es inelástica. Los resultados generalmente se comunican como el factor de estructura dinámica (también llamado ley de dispersión inelástica) , a veces también como la susceptibilidad dinámica donde el vector de dispersión es la diferencia entre el vector de onda entrante y saliente , yes el cambio de energía experimentado por la muestra (negativo el del neutrón disperso). Cuando los resultados se grafican en función de , a menudo se pueden interpretar de la misma manera que los espectros obtenidos mediante técnicas espectroscópicas convencionales ; en la medida en que la dispersión de neutrones inelástica puede verse como una espectroscopia especial.
Los experimentos de dispersión inelástica normalmente requieren una monocromatización del haz incidente o saliente y un análisis de energía de los neutrones dispersos. Esto se puede hacer mediante técnicas de tiempo de vuelo (dispersión de tiempo de vuelo de neutrones ) o mediante la reflexión de Bragg de cristales simples ( espectroscopia de neutrones de triple eje , retrodispersión de neutrones ). La monocromatización no es necesaria en las técnicas de eco ( eco de espín de neutrones , eco de espín de resonancia de neutrones ), que utilizan la fase mecánica cuántica de los neutrones además de sus amplitudes. [ cita requerida ]
Historia [ editar ]
Los primeros experimentos de difracción de neutrones se realizaron en la década de 1930. [1] Sin embargo, no fue hasta alrededor de 1945, con el advenimiento de los reactores nucleares, que los altos flujos de neutrones se hicieron posibles, lo que llevó a la posibilidad de investigaciones de estructuras en profundidad. Los primeros instrumentos de dispersión de neutrones se instalaron en tubos de haz en reactores de investigación polivalentes. En la década de 1960, se construyeron reactores de alto flujo optimizados para experimentos de haz-tubo. El desarrollo culminó en el reactor de alto flujo del Institut Laue-Langevin(en funcionamiento desde 1972) que alcanzó el mayor flujo de neutrones hasta la fecha. Además de algunas fuentes de alto flujo, había una veintena de fuentes de reactores de flujo medio en universidades y otros institutos de investigación. A partir de la década de 1980, muchas de estas fuentes de flujo medio se cerraron y la investigación se concentró en algunas fuentes de alto flujo líderes en el mundo.
Instalaciones [ editar ]
En la actualidad, la mayoría de los experimentos de dispersión de neutrones son realizados por científicos de investigación que solicitan el tiempo de haz en fuentes de neutrones mediante un procedimiento de propuesta formal. Debido a las bajas tasas de recuento involucradas en los experimentos de dispersión de neutrones, generalmente se requieren períodos relativamente largos de tiempo de haz (del orden de días) para obtener buenos datos. Las propuestas se evalúan para determinar su viabilidad y su interés científico.
Técnicas [ editar ]
- Difracción de neutrones
- Dispersión de neutrones en ángulo pequeño
- Spin Echo Dispersión de neutrones de ángulo pequeño
- Reflectometría de neutrones
- Dispersión inelástica de neutrones
- Espectrometría de neutrones de triple eje
- Dispersión de tiempo de vuelo de neutrones
- Retrodispersión de neutrones
- Eco de espín de neutrones
Ver también [ editar ]
- Transporte de neutrones
- Microscopio de neutrones LARMOR
- Aproximación nacida
Referencias [ editar ]
- ↑ a b Lüth, Harald Ibach, Hans (2009). Física del estado sólido: una introducción a los principios de la ciencia de los materiales (cuarta edición extensamente actualizada y ampliada). Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-93803-3.
- ↑ Zaliznyak, Igor A .; Lee, Seung-Hun (2004), Dispersión de neutrones magnéticos
- ^ Introducción de GL Squires a la teoría de la dispersión de neutrones térmicos Dover 1997 (¿reimpresión?)
- ^ Taylor, Andrew Dawson (1976). Dispersión de neutrones inelásticos mediante procesos de velocidad química . ox.ac.uk (tesis DPhil). Universidad de Oxford. OCLC 500576530 . EThOS uk.bl.ethos.474621 . CS1 maint: parámetro desalentado ( enlace )
Enlaces externos [ editar ]
- Recurso de aprendizaje electrónico gratuito patrocinado por la UE sobre la dispersión de neutrones
- Dispersión de neutrones: un estudio de caso
- Dispersión de neutrones: un manual básico ( versión en blanco y negro alojada en LANL ): artículo introductorio escrito por Roger Pynn ( Laboratorio Nacional de Los Alamos )
- Entrevista en podcast con dos científicos de ILL sobre ciencia / dispersión de neutrones en el ILL
- Vídeo de YouTube que explica las actividades del Centro de Dispersión de Neutrones de Jülich
- Neutronsources.org
- Ciencia e innovación con neutrones en Europa en 2020 (SINE2020)
- Base de datos de instrumentos de haz de neutrones del OIEA
