Dispersión de neutrones

Fenómeno físico

La dispersión de neutrones , la dispersión irregular de neutrones libres por la materia, puede referirse tanto al proceso físico que ocurre naturalmente como a las técnicas experimentales creadas 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 cristalografía , física , química física , biofísica e investigación de materiales .

La dispersión de neutrones se practica en reactores de investigación y fuentes de neutrones por espalación que proporcionan radiación de neutrones de intensidades variables . Las técnicas de difracción de neutrones ( dispersión elástica ) se utilizan para analizar estructuras; mientras que la dispersión de neutrones inelástica se utiliza para estudiar vibraciones atómicas y otras excitaciones .

Dispersión de neutrones rápidos

Los "neutrones rápidos" (ver temperatura del neutrón ) tienen una energía cinética superior a 1 MeV . Pueden dispersarse por la materia condensada (núcleos con energías cinéticas muy inferiores a 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 dispersante (materia condensada), tanto más cuanto más ligero sea el núcleo. Y con cada colisión, el neutrón "rápido" se ralentiza hasta alcanzar el equilibrio térmico con el material en el que se dispersa.

Los moderadores de neutrones se utilizan para producir neutrones térmicos , que tienen energías cinéticas inferiores a 1 eV (T < 500 K). ^[1] Los neutrones térmicos se utilizan para mantener una reacción nuclear en cadena en un reactor nuclear y como herramienta de investigación en experimentos de dispersión de neutrones y otras aplicaciones de la ciencia de los neutrones (véase más adelante). El resto de este artículo se centra en la dispersión de neutrones térmicos.

Interacción neutrón-materia

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 a granel.

Los neutrones interactúan con los núcleos atómicos y con los campos magnéticos de los electrones desapareados, lo que provoca interferencias pronunciadas 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 propio núcleo, como se describe mediante el pseudopotencial de Fermi . Las secciones eficaces de dispersión y absorción de neutrones varían ampliamente de un isótopo a otro.

La dispersión de neutrones puede ser coherente o incoherente, dependiendo también del isótopo. Entre todos los isótopos, el hidrógeno tiene la sección eficaz de dispersión más alta. Elementos importantes como el carbono y el oxígeno son bastante visibles en la dispersión de neutrones, lo que contrasta marcadamente con la dispersión de rayos X , donde las secciones eficaces aumentan sistemáticamente con el número atómico. Por lo tanto, los neutrones se pueden utilizar para analizar materiales con números atómicos bajos, incluidas las proteínas y los surfactantes. 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 de Debye-Waller o el factor de 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 y una longitud de onda de De Broglie precisas , 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 de tiempo de vuelo, los neutrones se envían a través de una secuencia de dos rendijas giratorias de modo que solo se seleccionen 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 o longitudes de onda de De Broglie diferentes, 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

El neutrón tiene una carga eléctrica neta de cero, pero tiene un momento magnético significativo , aunque sólo 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 electrónico. ^[2]

Dispersión inelástica de neutrones

Disposición genérica de un experimento de dispersión de neutrones inelásticos

Dispersión inelástica de neutrones

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 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 , y es el cambio de energía experimentado por la muestra (negativo al del neutrón dispersado). Cuando los resultados se grafican como función de , a menudo se pueden interpretar de la misma manera que los espectros obtenidos por técnicas espectroscópicas convencionales ; en la medida en que la dispersión inelástica de neutrones puede verse como una espectroscopia especial. $S(\mathbf {Q} ,\omega )$ $\chi ^{\prime \prime }(\mathbf {Q} ,\omega )$ $\mathbf {Q}$ $\hbar \omega$ $\omega$

Los experimentos de dispersión inelástica requieren normalmente una monocromatización del haz incidente o saliente y un análisis energético de los neutrones dispersados. Esto se puede hacer mediante técnicas de tiempo de vuelo ( dispersión de neutrones por tiempo de vuelo ) o mediante reflexión de Bragg a partir de cristales individuales ( espectroscopia de triple eje de neutrones , retrodispersión de neutrones ). La monocromatización no es necesaria en las técnicas de eco ( eco de espín de neutrones , eco de espín por resonancia de neutrones ), que utilizan la fase mecánica cuántica de los neutrones además de sus amplitudes. ^{[ cita requerida ]}

Historia

Los primeros experimentos de difracción de neutrones se realizaron en la década de 1930. ^[1] Sin embargo, no fue hasta alrededor de 1945, con la llegada de los reactores nucleares, que se hicieron posibles los altos flujos de neutrones , lo que dio lugar a la posibilidad de realizar investigaciones estructurales en profundidad. Los primeros instrumentos de dispersión de neutrones se instalaron en tubos de haz en reactores de investigación multipropósito. En la década de 1960, se construyeron reactores de alto flujo que se optimizaron para experimentos con tubos de haz. El desarrollo culminó en el reactor de alto flujo del Instituto Laue-Langevin (en funcionamiento desde 1972) que logró el flujo de neutrones más alto hasta la fecha. Además de unas pocas fuentes de alto flujo, había unas veinte 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 unas pocas fuentes de alto flujo líderes en el mundo.

Instalaciones

En la actualidad, la mayoría de los experimentos de dispersión de neutrones son realizados por científicos investigadores que solicitan tiempo de haz en fuentes de neutrones a través de un procedimiento de propuesta formal. Debido a las bajas tasas de conteo involucradas en los experimentos de dispersión de neutrones, generalmente se requieren períodos de tiempo de haz relativamente largos (del orden de días) para conjuntos de datos utilizables. Las propuestas se evalúan para determinar su viabilidad e interés científico. ^[5]

Técnicas

Véase también

Referencias

^ ab Lüth, Harald Ibach, Hans (2009). Física del estado sólido: una introducción a los principios de la ciencia de los materiales (4.ª edición ampliada y actualizada). Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-93803-3.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ Zaliznyak, Igor A.; Lee, Seung-Hun (2004), Dispersión de neutrones magnéticos
^ GL Squires Introducción a la teoría de la dispersión de neutrones térmicos Dover 1997 (¿reimpresión?)
^ Taylor, Andrew Dawson (1976). Dispersión inelástica de neutrones por procesos de velocidad química. ox.ac.uk (tesis de doctorado). Universidad de Oxford. OCLC 500576530. EThOS uk.bl.ethos.474621.
^ "Cómo enviar una propuesta". Ciencias de neutrones en ORNL . Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Consultado el 12 de mayo de 2022 .

Enlaces externos

Recurso de aprendizaje electrónico gratuito patrocinado por la UE sobre dispersión de neutrones
Dispersión de neutrones: un estudio de caso
Dispersión de neutrones: una introducción (versión en blanco y negro alojada en LANL): artículo introductorio escrito por Roger Pynn ( Laboratorio Nacional de Los Álamos )
Entrevista de podcast con dos científicos del ILL sobre la ciencia de los neutrones y la dispersión en el ILL
Vídeo de YouTube que explica las actividades del Centro de Dispersión de Neutrones de Jülich
Fuentes de neutrones.org
Ciencia e Innovación con Neutrones en Europa en 2020 (SINE2020)
Base de datos de instrumentos de haces de neutrones del OIEA

[ibach-1] Lüth, Harald Ibach, Hans (2009). Física del estado sólido: una introducción a los principios de la ciencia de los materiales (4.ª edición ampliada y actualizada). Berlín: Springer. ISBN 978-3-540-93803-3.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)

[Zaliznyak-2] Zaliznyak, Igor A.; Lee, Seung-Hun (2004), Dispersión de neutrones magnéticos

[3] GL Squires Introducción a la teoría de la dispersión de neutrones térmicos Dover 1997 (¿reimpresión?)

[PhD-474621-4] Taylor, Andrew Dawson (1976). Dispersión inelástica de neutrones por procesos de velocidad química. ox.ac.uk (tesis de doctorado). Universidad de Oxford. OCLC 500576530. EThOS uk.bl.ethos.474621.

[5] "Cómo enviar una propuesta". Ciencias de neutrones en ORNL . Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Consultado el 12 de mayo de 2022 .