중성자 회절

Neutron diffraction
분자 시뮬레이션과 함께 사용되는 중성자 회절이라고 알려진 이미징 기술은 이온 채널의 전압 감지 영역(중앙의 빨간색, 노란색 및 파란색 분자)이 그것을 둘러싼 2층 세포막(노란색 표면)을 교란시켜 막이 약간 얇아지는 원인이 된다는 것을 밝혀냈다.
중성자를 이용한 과학
Quark structure neutron.svg
기초
중성자 산란
기타 응용 프로그램
사회 기반 시설
중성자 시설

중성자 회절 또는 탄성 중성자 산란은 물질의 원자 및/또는 자기 구조의 결정에 중성자 산란을 적용하는 것이다.검사 대상 샘플을 열중성자 빔 또는 냉중성자 빔에 배치하여 재료의 구조 정보를 제공하는 회절 패턴을 얻는다.이 기술은 X선 회절과 유사하지만 산란 특성이 다르기 때문에 중성자와 X선은 상호 보완적인 정보를 제공한다. X선은 표면 분석에 적합하고 싱크로트론 방사선의 강한 X선은 얕은 깊이 또는 얇은 시료에 적합하며, 관통 깊이가 높은 중성자는 벌크(bulk)에 적합하다.샘플.[1]

기기 및 샘플 요건

이 기술은 중성자 선원을 필요로 한다.중성자는 보통 원자로나 파쇄 선원에서 생산된다.연구용 원자로에서는 원하는 중성자 파장을 선택하기 위한 필터뿐만 아니라 결정 단색기를 포함한 다른 성분이 필요하다.설정의 일부도 이동할 수 있습니다.파쇄원에서는 입사 중성자의 에너지를 정렬하기 위해 비행 시간이 사용되므로(높은 에너지 중성자가 더 빠름), 단색기가 필요하지 않고 원하는 파장으로 중성자 펄스를 필터링하기 위해 동기화된 일련의 조리개 요소가 필요하다.

이 기술은 분말 회절로서 가장 일반적으로 수행되며, 이는 다결정 분말만을 필요로 한다.단결정 작업도 가능하지만 단결정 X선 결정학에서 사용되는 것보다 훨씬 더 커야 합니다.1mm [2]정도의3 크리스털을 사용하는 것이 일반적입니다.

이 기술은 또한 중성자가 산란된 후 중성자를 탐지할 수 있는 장치가 필요하다.

요약하면 중성자 회절의 주요 단점은 원자로 요건이다.단결정 작업의 경우, 이 기술은 일반적으로 성장하기 어려운 비교적 큰 결정을 필요로 합니다.이 기술의 장점은 경원자에 대한 민감도, 동위원소 식별 능력, 방사선 손상 [2]없음 및 수 cm의[1] 침투 깊이이다.

핵산란

모든 양자 입자와 마찬가지로 중성자도 일반적으로 빛이나 소리와 관련된 파동 현상을 나타낼 수 있습니다.회절은 이러한 현상 중 하나로 파장과 비슷한 크기의 장애물과 파동이 부딪힐 때 발생합니다.양자 입자의 파장이 충분히 짧으면 원자나 원자핵이 회절 장애물로 작용할 수 있다.원자로에서 나오는 중성자 빔이 느려지고 속도에 따라 적절히 선택되면, 그 파장은 고체 물질에서 원자 사이의 전형적인 분리인 1앙스트롬(0.1나노미터) 근처에 있게 된다.그런 다음 이러한 빔을 사용하여 회절 실험을 수행할 수 있습니다.결정성 샘플에 충돌하면 X선 회절을 설명하는 동일한 브래그의 법칙에 따라 한정된 수의 잘 정의된 각도로 산란됩니다.

중성자와 X선은 물질과 다르게 상호작용한다.X선은 주로 각 원자를 둘러싼 전자 구름과 상호작용합니다.따라서 원자번호(Z)가 큰 원자의 경우 회절 X선 강도에 대한 기여도가 더 큽니다.반면 중성자는 원자의 핵과 직접 상호작용하며, 회절 강도에 대한 기여는 각 동위원소에 따라 다르다. 예를 들어, 일반 수소와 중수소는 서로 다르게 기여한다.또한 가벼운(낮은 Z) 원자가 큰 Z 원자가 존재하는 경우에도 회절 강도에 크게 기여하는 경우가 많습니다.산란 길이는 원자 번호에 선형으로 표시되는 것이 아니라 동위원소마다 다르다.바나듐과 같은 원소는 X선을 강하게 산란시키지만 원자핵은 중성자를 산란시키지 않기 때문에 용기 재료로 자주 사용된다.비자성 중성자 회절은 원자핵의 위치에 직접적으로 민감하다.

중성자가 흩어지는 원자의 핵은 매우 작다.또, 원자의 전자 구름의 형상을 기술하는 원자 폼 팩터가 필요 없고, X선과 같이 산란 각도로 원자의 산란력이 떨어지지 않는다.따라서 회절도는 특히 저온에서 실험이 이루어진 경우 높은 각도에서도 강하고 명확한 회절 피크를 나타낼 수 있습니다.많은 중성자 선원은 4.2K 이하의 온도에서 데이터를 수집할 수 있는 액체 헬륨 냉각 시스템을 갖추고 있다.뛰어난 고각(고분해능) 정보는 구조에서 원자 위치를 고정밀로 결정할 수 있음을 의미한다.한편, 중성자 데이터에서 파생된 푸리에 맵(및 더 작은 범위의 차이 푸리에 맵)은 직렬 종단 오류로 인해 어려움을 겪으며, 때로는 결과가 무의미할 수 있다.

자기 산란

중성자는 전하를 띠지 않지만, 자기 모멘트를 전달하기 때문에 원자 주위의 전자 구름에서 발생하는 모멘트를 포함한 자기 모멘트와 상호작용합니다.따라서 중성자 회절은 [3]물질의 미세한 자기 구조를 드러낼 수 있다.

자기 산란은 작은 핵 주변의 훨씬 더 큰 전자 구름에 의해 야기되기 때문에 원자 형태 인자를 필요로 한다.따라서 회절 피크에 대한 자기 기여의 강도는 더 높은 각도로 감소합니다.

사용하다

중성자 회절은 기체, 액체 또는 비정질 고체의 정적 구조 계수를 결정하기 위해 사용될 수 있다.그러나 대부분의 실험은 중성자 회절을 결정학의 중요한 도구로 만들면서 결정성 고체의 구조를 목표로 한다.

중성자 회절은 X선 분말 [4]회절과 밀접한 관련이 있다.사실, 이 기술의 단결정 버전은 현재 사용 가능한 중성자 선원은 비교적 큰 샘플을 필요로 하고 큰 단결정체는 대부분의 물질에서 구하기 어렵거나 불가능하기 때문에 덜 일반적으로 사용된다.그러나 미래의 발전은 이 그림을 바꿀 수도 있다.데이터는 일반적으로 1D 분말 회절도이므로 일반적으로 Rietveld 정제법을 사용하여 처리됩니다.사실 후자는 중성자 회절(네덜란드 페튼)에서 기원을 찾았고 나중에 X선 회절에서 사용하기 위해 확장되었다.

탄성 중성자 산란/회절의 실용적인 적용 중 하나는 금속 및 기타 결정성 물질의 격자 상수를 매우 정확하게 측정할 수 있다는 것이다.정확하게 정렬된 마이크로파사이저와 함께 금속을 통과하는 격자 정수의 지도를 도출할 수 있다.이것은 [1]재료에 의해 경험되는 응력장으로 쉽게 변환될 수 있습니다.이는 항공우주 및 자동차 부품의 응력을 분석하는 데 사용되어 단 두 가지 예를 제시합니다.관통 깊이가 높기 때문에 크랭크축, 피스톤, 레일, 기어와 같은 벌크 구성 요소의 잔류 응력을 측정할 수 있습니다.이 기술은 ISIS 중성자 선원의 ENGIN-X 계측기와 같은 전용 응력 회절계의 개발로 이어졌다.

중성자 회절은 또한 회절되는 [5][6]모든 물질을 3D 구조에 대한 통찰력을 제공하기 위해 사용될 수 있습니다.

또 다른 용도는 전해질 용액에서 이온 쌍의 용매화 수를 결정하는 것이다.

자기산란효과는 중성자 회절기술이 확립된 이후 재료의 자기모멘트를 정량화하고 자기쌍극자의 방향과 구조를 연구하기 위해 사용되어 왔다.중성자 회절의 초기 적용 중 하나는 망간, 철, 니켈 및 코발트 산화물과 같은 반강자성 전이 금속 산화물의 자기 쌍극자 배향 연구였다.Clifford Shull에 의해 최초로 수행된 이러한 실험은 재료 [7]구조에서 자기 쌍극자의 반강자성 배열의 존재를 보여주는 첫 번째 실험이었다.현재 중성자 회절은 새로 개발된 자성 물질의 특성을 나타내기 위해 계속 사용되고 있다.

수소, null-scattering 및 대조도 변화

중성자 회절은 단백질이나 계면활성제와 같은 낮은 원자 번호의 물질의 구조를 싱크로트론 방사선원보다 더 낮은 플럭스로 훨씬 쉽게 확립하는데 사용될 수 있다.이는 일부 저원자 번호 물질이 고원자량 물질보다 중성자 상호작용에 대한 단면이 높기 때문이다.

X선 회절에 비해 중성자 회절의 한 가지 큰 장점은 후자가 구조에서 수소(H)의 존재에 다소 둔감한 반면, 핵 H와 H(즉, 중수소, D)는 중성자에 대한 강한 산란체이다.양성자와 중수소의 산란력이 크다는 것은 결정에서 수소의 위치와 열운동이 중성자 회절에 의해 보다 정확하게 결정된다는 것을 의미한다.예를 들어 MgFeH와26 같은 금속 수소화물 복합체의 구조는 중성자 [8]회절에 의해 평가되었다.

H와 D의 중성자H 산란 길이 b = -3.7406D(11) fm과 b = 6.671(4) [9]fm은 각각 반대 부호를 가지며, 이 기법으로 구별할 수 있다.실제로 원소의 기여가 취소되는 특정 동위원소 비율이 존재하며, 이를 null-scattering이라고 한다.

시료에서 상대적으로 높은 농도의 H로 작업하는 것은 바람직하지 않다.H-nuclei에 의한 산란 강도는 큰 비탄성 성분을 가지며, 이것은 산란 각도와 다소 독립적인 큰 연속 배경을 만든다.탄성 패턴은 샘플이 결정인 경우 일반적으로 날카로운 Bragg 반사로 구성됩니다.그들은 비탄력적인 배경에서 익사하는 경향이 있다.이 기술이 액체 구조 연구에 사용될 경우 이는 더욱 심각하다.그럼에도 불구하고 다른 동위원소 비율을 가진 표본을 준비함으로써 복잡한 구조에서 하나의 원소를 강조할 수 있을 만큼 산란 대비를 변화시킬 수 있다.다른 원소의 변형은 가능하지만 대개는 비용이 많이 듭니다.수소는 생화학적 구조에서 예외적으로 큰 역할을 하고 다른 방법으로 구조적으로 연구하기 어렵기 때문에 저렴하고 특히 흥미롭다.

역사

최초의 중성자 회절 실험은 1945년에 어니스트 O에 의해 수행되었다. 오크리지에 있는 흑연 원자로를 사용하는 울란.그는 그 직후([10]1946년 6월) 클리포드 슐과 합류했고, 그들은 함께 기술의 기본 원리를 확립했고, 얼음의 구조와 재료의 자기 모멘트의 미시적 배열과 같은 문제들을 다루면서 많은 다른 재료에 성공적으로 적용했다.이 업적으로 슐은 1994년 노벨 물리학상의 절반을 수상했다.(월란은 1984년에 사망했다.)(1994년 노벨 물리학상의 나머지 절반은 AECL의 초크 리버 시설에서 비탄성 산란 기술을 개발한 공로로 Bert Brockhouse에게 돌아갔다.여기에는 트리플 축 분광계(Triple Axis Spectrometer)의 발명도 포함되었습니다.업적(1946년)과 브록하우스와 슐(1994년)에게 수여된 노벨상 사이의 지연은 전자현미경의 에른스트 루스카(1933년)에 의한 발명과 입자 광학 분야에서의 그의 노벨상(1986년) 사이의 지연에 가까워지게 한다.이는 페이톤 루스의 발견과 1966년 노벨상 수상 사이의 55년이라는 기록에 가깝다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c 중성자를 이용한 재료 잔류 응력 측정, IAEA, 2003
  2. ^ a b 폴라 M. B. 피콜리, 토마스 F.Koetzle, Arthur J. Schultz "무기화학자를 위한 단결정 중성자 회절—실용 가이드" 2007, Volume 28, 3-38. doi:10.1080/02603590701394741
  3. ^ 자성 물질의 중성자 회절 / Yu. A. Izyumov, V.E. Naish 및 R.P. Ozerov ; 러시아어 번역: 요아힘 뷔치너.뉴욕 : 컨설턴트 뷰로, c1991년. ISBN0-306-11030-X
  4. ^ 리처드 M.에 의한 중성자 분말 회절.아이버슨과 윌리엄 I.F.David, 구조 결정 5장 결정학 형태의 분말 회절 데이터 IUCr 모노그래프 그림, 옥스퍼드 과학 출판물 2002, ISBN 0-19-850091-2
  5. ^ Ojeda-May, P.; Terrones, M.; Terrones, H.; Hoffman, D.; et al. (2007), "Determination of chiralities of single-walled carbon nanotubes by neutron powder diffraction technique", Diamond and Related Materials, 16 (3): 473–476, Bibcode:2007DRM....16..473O, doi:10.1016/j.diamond.2006.09.019
  6. ^ Page, K.; Proffen, T.; Niederberger, M.; Seshadri, R. (2010), "Probing Local Dipoles and Ligand Structure in BaTiO3 Nanoparticles", Chemistry of Materials, 22 (15): 4386–4391, doi:10.1021/cm100440p
  7. ^ Shull, C. G.; Strauser, W. A.; Wollan, E. O. (1951-07-15). "Neutron Diffraction by Paramagnetic and Antiferromagnetic Substances". Physical Review. American Physical Society (APS). 83 (2): 333–345. Bibcode:1951PhRv...83..333S. doi:10.1103/physrev.83.333. ISSN 0031-899X.
  8. ^ Robert Bau, Mary H. Drabnis "중성자 회절에 의해 결정되는 전이 금속 수소화물 구조" Inorganica Chimica Acta 1997, vol. 259, pp/27-50. doi:10.1016/S0020-1693(97)89125-6
  9. ^ a b Sears, V. F. (1992), "Neutron scattering lengths and cross sections", Neutron News, 3 (3): 26–37, doi:10.1080/10448639208218770
  10. ^ Shull, Clifford G. (1995-10-01). "Early development of neutron scattering". Reviews of Modern Physics. American Physical Society (APS). 67 (4): 753–757. Bibcode:1995RvMP...67..753S. doi:10.1103/revmodphys.67.753. ISSN 0034-6861.

추가 정보

  • Lovesey, S. W. (1984). Theory of Neutron Scattering from Condensed Matter; Volume 1: Neutron Scattering. Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-852015-8.
  • Lovesey, S. W. (1984). Theory of Neutron Scattering from Condensed Matter; Volume 2: Condensed Matter. Oxford: Clarendon Press. ISBN 0-19-852017-4.
  • Squires, G.L. (1996). Introduction to the Theory of Thermal Neutron Scattering (2nd ed.). Mineola, New York: Dover Publications Inc. ISBN 0-486-69447-X.
  • Young, R.A., ed. (1993). The Rietveld Method. Oxford: Oxford University Press & International Union of Crystallography. ISBN 0-19-855577-6.

외부 링크