中子衍射

演讲：陈虹宇第十组冯静怡张永庆陈冲史晓阳闫龙龙中子衍射neutrondiffraction中子衍射定义中子衍射设备与X-Ray和电子衍射的异同中子衍射技术的应用简要了解中子弹一中子衍射（neutrondiffraction）通常指德布罗意波长为约1埃左右的中子（热中子）通过晶态物质时发生的布拉格衍射。在目前，中子衍射方法是研究物质结构的重要手段之一。二设备由核反应堆孔道中引出的热中子束通过准直器射到单色器上，经单晶反射获得单一波长的中子入射到样品上，然后由绕样品旋转的中子探测器在各个角度测定衍射束的强度，再通过与X射线衍射相类似的数据处理求得点阵不同位置上的核密度分布。三X-ray,中子和电子的同和异。最为突出的相同点，即他们都具有波动性，满足基本的波动规律--布拉格公式(BraggLaw)：2d*sinθ=nλ(n是自然数)。布拉格衍射示意图1i)表观上的差异X-ray光子(电磁波)、不带电没有磁性，电子带负电，中子不带电、质量较大(1.6748*10^(-24)kg)而且具有磁性ii)本质上的差异X射线是电磁波，没有静止质量，均匀介质中速度不变，波动行为在时空上的dispersion呈现简单的线性关系；而电子、中子是物质波，具有质量，均匀介质中运动速度可以变化，时空上的dispersion呈现平方项。我们着重分析它们的差异。正是这样的本质差别导致波长(动量)与频率(能量)之间的关系在电磁波(这里是X-ray)和物质波(这里是电子、中子)之间的截然不同。当然，物质波在运动速度接近光速的时候其dispersion会发生本质的转变，转变点如图1所示，不过这样的情况在实际的结构分析中碰不到，所以不用担心电子/中子在和光子的dispersion完全一致时的异常，迄今还没有见过这样的实验。不同衍射技术测定晶格常数的精准性对照图由上图分布看出：ND既不精也不准；ED-SAED准而不精，ED-CBED精而不准；XRD既精又准。2、中子衍射具有的其他技术不可比拟的优势原子核敏感和磁性结构敏感i)轻原子及同位素相对敏感如图3所示，中子对于较轻的C,H,O及其同位素的散射显然比XRD更强，电子由于核内电子的库伦屏蔽效应，对较轻原子核及其同位素散射的敏感性也不如中子。这里举个典型的应用是通过中子衍射谱的拟合准确确定氧化物结构中氧原子位置，如图4中石榴石晶体中子衍射谱的拟合结果。ii)磁性结构的精确确定对于磁性材料，中子衍射谱中包含磁性离子及磁性结构信息，通过中子衍射特定峰位使用一定的模型拟合，可以，得到特定的磁性周期结构，比如图5所示通过中子衍射技术得到反铁磁氧化物BiFeO3的自旋波周期结构约为62nm，而这个信息通过XRD或电子衍射是难以获得的。3、电子衍射是微区结构测量的优势技术这里主要基于透射电镜(TEM)讨论，尽管XRD和中子衍射在微观区域结构成像上也有类似电子衍射的进展，但实际应用中在以下几个方面上远远不能和电子衍射技术比拟：i)微观结构细节，如应变分布、取向分布、成分分布、界面结构等等。ii)原子柱成像的高分辨显微技术(HRTEM)。XRD,ED,ND三种衍射技术中没有一种可以胜任其他技术的所有工作，所以在结构分析时应选取较合理的方式：1、XRD简易高效，晶胞参数能定准，但得到的是宏观平均信息，而且细节结构尤其是轻原子不能准确确定；2、中子衍射在确定轻原子、同位素和磁性原子的细节信息上功能最强，比X射线具有高得多的穿透性，因而也更适用于需用厚容器的高低温、高压等条件下的结构研究。但晶胞参数不靠谱，需要特殊的强中子源，并且由于源强不足而常需较大的样R品和较长的数据收集时间而且使用不便，因为全世界能做中子衍射的单位屈指可数；3、电子衍射总能在微区细节上做的很好，但晶胞参数等定量结果不能作为标准，而且电子衍射的制样困难，好的制样技术甚至比电镜操作本身更难以掌握。左图为用X射线观察到的含水大分子的结构，右图为中子散射观察到的含水大分子的结构四中子衍射主要应用于：①在晶体结构方面，首先是轻元素的定位工作。例如各种无机碳氢、氧化物、NaH,SnO等结构中轻元素的位置,及有机分子方面如氨基酸维生素B，以至肌红蛋白等较复杂大分子的结构研究免疫球蛋白A的缎带结构核糖体（Ribosome）②磁结构方面用中子衍射研究磁结构最早的工作是液氮温度下MnO的反铁磁结构探讨，确定了Mn原子在(111)面内近邻的磁矩方向相反当然，中子衍射也被应用于结构相变、择优取向、晶体形貌、位错缺陷研究及非晶态等其他方面。中子弹neutronbomb又称增强辐射武器(enhancedradiationweapon)，是一种靠微型原子弹引爆的超小型氢弹，外层用铍反射层包著，它只产生少量冲击波和红外线，仅为一般核爆炸的十分之一，但释放大量中子束，中子可自由逸出，使放射性沾染的范围比较小。中子的贯穿能力极强，占总能量的80%左右，而中子作为一种微粒子，能够轻易穿透装甲车辆、建筑物、砖墙去杀伤人员，而装甲车辆、建筑物和武器却能完好的保存下来。它属于第三代核武器中子弹的杀伤原理是利用中子的强穿透力。由质子和中子组成的原子核，质子带正电，中子不带电，中子从原子核里发射出来后，不受外界电场的作用，穿透力极强。中子穿过人体时，使人体内的分子和原子变质或变成带电的离子，引起人体里的碳、氢、氮原子发生核反应，破坏细胞组织，使人发生痉挛，间歇性昏迷和肌肉失调，严重时会在几小时内死亡。中子弹