中子散射技术及应用
中子散射技术及应用
中子散射技术利用中子散射方法研究物质的静态结构及物质的微观动力学性质。中子具备不带电、穿透力强、可鉴别同位素、较之X射线对轻元素灵敏、具有磁矩等优点，因此中子散射技术作为一种独特的、从原子和分子尺度上研究物质结构和动态特性的表征手段，在多学科交叉领域发挥着不可替代的作用。
简介
与X射线技术相辅相成，中子以其自身的特点在结构、成像等分析中发挥着独特的作用。中子为电中性，具有强穿透力和非破坏性，从而可以探测物质的内力场信息(如残余应力)，也利于在复杂和集成的特殊样品环境下进行实验研究;中子与原子核的作用并不随原子序数的增加而有规律地增大，从而可以通过中子散射或成像技术更好地分辨轻元素，或者相邻的元素;中子具有内禀的自旋使之可以准确地揭示其他手段难以给出的微观磁结构信息。现已建立的有关低能热中子的理论，为开展多学科理论预测、实验验证并完善理论提供了有效的途径。中子散射技术不仅可探索物质静态的微观结构，还可用于研究结构变化过程的动力学机制。因此，中子散射已在物理、化学、材料、工程等研究领域发挥着X射线无法取代的作用，成为物质科学研究和新材料研发的重要手段。
应用
测定氢原子位置
早在20世纪30年代人们就用X 射线研究过冰的晶体结构, 但只肯定了冰的晶体为六角结构, 氧原子占据四面体的中心及三个顶角位置, 而没有看清氢在哪里。 于是只能给出四种可能的结构模型, 对氢的位置作了四种可能的猜测。
1949年, Wollan等利用粉末中子衍射测量了重冰的晶体结构。 实验表明, 在X 射线给出的四种模型中, 中子衍射结果支持著名化学家Pauling 提出的半氢( half hydrogen)模型。 按照这个模型, 氢原子位置并不固定, 一半时间靠近一个氧原子, 另一半时间靠近另一个氧原子。 1953年, Peterson等利用单晶中子衍射对重冰的晶体结构再次进行测量, 证实了Wollan等的结论是正确的。
磁结构研究
中子的磁散射可以向我们提供磁结构的知识。1983年, 日本和美国研制出磁能积高达360 J/m 的优质永磁合金Nd- Fe- B, 在这种新材料的化学分子式Nd2Fe14 B还不知道的情况下, 人们就用中子衍射定出了它的结构和磁结构, 阐明了它的作用机理。中子散射技术把我们对磁现象的观察由宏观层面推到了微观层面, 它对近代磁学理论的发展和磁性材料的研发都起到了很重要的作用。第二类超导材料的磁通晶格间距大约在100nm左右, 所以利用长波中子小角衍射可以直接观察磁通晶格。
图为P2+在50mT场强(沿c轴方向)和1.5K温度条件下用中子小角衍射观察到的Ba2Sr2CaCu3O8单晶的磁通晶格衍射图案
残余应力测量
材料和工程部件在焊接、加工过程中往往会形成残余应力。 在材料和工程部件的使用上, 残余应力是必须考虑的安全因素之一。工业上沿用的残余应力测量方法一般是破坏性的, 而中子衍射测量残余应力则是一种非破坏性的方法, 近年来它已逐渐被工业界采用, 世界上许多中子散射实验中心都建立了专用的测量应力的高分辨中子衍射谱仪。
当材料中存在残余应力时, 它的晶格会产生畸变, 晶面间距d 会有微小的改变, 从而引起衍射峰的微小位移. 精确测定这一位移, 便能求出所测点的残余应力。
织构测量
织构是指材料中的微晶取向不是完全随机的,而是在一定范围内有一定的择优取向。利用中子衍射测量织构可采用极图、反极图和三维取向分布数三种表示方法。这些方法都是从X 射线衍射测量方法移植过来的。 但中子测量给出的是大块材料的平均效果, 更能接近材料的实际情况, 而X 射线测量的只是接近材料表面层的织构。
生物分子研究
生物分子结构的测定需要靠X 射线和中子共同完成。生物分子中含有大量碳、氢、氧、氮原子;蛋白质中的氢原子数目占原子总数的三分之一到二分之一, 它们能形成蛋白质分子特有的三维结构;质子还参与许多催化机制。中子不仅对氢灵敏, 而且还能较好地分辨氮原子和碳原子。中子对生物活体样品的破坏性小，一个样品至少可以使用半年以上而不损坏，可以用一个样品收集全套数据. 这些都是用中子研究生物分子的优点。
在生物分子研究中, 中子对氢的识别能力得力于氢和氘的散射长度的差别。 由于这个差别, 在溶液样品中加入一定比例的重水， 就可以使溶液的散射长度密度与样品中的某个组分相等, 从而可以突出其他组分对散射的贡献. 这种方法称为氘反差法. 对非溶液样品可以通过所谓选择性氘化的方法, 将样品中某些氢原子用氘置换, 从而把复杂的结构分解为相对简单的一些亚单元。
极端环境条件下的物质结构研究
利用中子对物质的高穿透本领, 我们可以把样品放在能够改变温度、压力、外场强度的容器中或环境下进行中子散射研究。将压力、温度等推延到极端情况, 更可以探索极端条件下的许多现象。
人们很早就知道，海洋深处甲烷水合物的储量很丰富, 大约是地球上其他化石燃料总和的一倍。水合甲烷的结构很奇特，它由一些水分子形成笼状结构，笼的中心有若干个甲烷分子，这种结构是在海洋深处高压、低温条件下形成的。 一旦脱离这种环境,其结构便被破坏，从其中逸出的气体不但得不到利用, 还会形成大量CO2, 破坏环境。因此, 为了开发利用海洋深处的水合甲烷, 必须先在一定外部条件下研究其结构和晶格动力学行为。目前国外科学家已着手用中子散射研究在不同压力、温度条件下水合甲烷的结构和动力学性质。
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