中子衍射和热中子非弹性散射

12005年5月17日星期二中子衍射和热中子非弹性散射（NeutronDiffraction&ThermalNeutronInelasticScattering）现代物理实验方法在材料表征中的应用王建波DepartmentofPhysicsandCenterforElectronMicroscopy,WuhanUniversity2005年5月17日星期二中子衍射和热中子非弹性散射（NeutronDiffraction&ThermalNeutronInelasticScattering）1中子的性质2中子衍射3热中子非弹性散射MnOThemostfamousanti-ferromagneticmaterial,manganeseoxide(MnO)helpedearntheNobelprizeforC.Shull,whoshowedhowneutrondiffractioncouldbeusedtostudysuchmagneticstructures,workthatisimpossiblewithnormalX-raytechniques.中子源反应堆（Reactor）粒子加速器（Accelerator）22005年5月17日星期二中子的性质：具有波粒二象性01.00894m=uma..22110.861781.81(meV)2EmvkTTνλ=====⋅h2()kmvπλ⎛⎞==⎜⎟⎝⎠rrhh方向1.913M=−核磁单位o1/210.286A30.81hEmvTλλ⎛⎞==⇒=⎜⎟⎝⎠0⎯→⎯q静止质量动能（当vc）动量磁矩波长电荷（所以不受库仑作用，穿透深度大，可带出体信息）2005年5月17日星期二中子的性质：具有波粒二象性中子能量、波长与温度的关系：T10K100K1000KE(meV)110100λ(Å)101o1/210.286A30.81hEmvTλλ⎛⎞==⇒=⎜⎟⎝⎠32005年5月17日星期二中子的性质（Thepropertiesofneutrons）TheirchargeNeutronsareelectricallyneutral:Theyarenon-destructiveandcanpenetratedeepintomatter.2005年5月17日星期二中子的性质（Thepropertiesofneutrons）Theycanreachthenucleusofatomsanddistinguishbetweendifferentelementsandtheirvariousisotopes.42005年5月17日星期二中子的性质（Thepropertiesofneutrons）TheirspinNeutronspossessamicro-magnet.Theyarethereforesensitivetothemagneticpropertiesofatomsandcanidentifytheweakestofmagneticfields.Theneutronhasa'spin',analagoustoaspinningtop.Thedirectionandstrengthoftheneutron'smicro-magnetisdefinedbyitsspin.2005年5月17日星期二中子的性质（Thepropertiesofneutrons）TheirwavelengthTheirwavelengthissimilarto,orevensmallerthan,thedistancebetweenatoms,andenablesthemtodetectatomicandmoleculardimensionsofbetween0.1nmand100nm(1nm=10-6mm).52005年5月17日星期二中子的性质（Thepropertiesofneutrons）NeutronwavesAwavecanbedescribedbyitsdirectionofpropagation,itslength,anditsamplitude.Samplescanbeanalysedbycollectingdataonhowthesethreefeatureschangeasneutronscrossthesample.2005年5月17日星期二中子的性质（Thepropertiesofneutrons）Howcanneutronshelpussee?62005年5月17日星期二热中子（ThermalNeutron）热中子：具有热能数量级的中子（能量E为5meV~100meV）20oC时（室温下）对应有：E=0.0253eV=25.3meV（与声子能量相当）λ=1.798Å（与Co的Kα射线相当）v=2.20km/sk=3.49x1010m-1（波矢）ν=6.207x1012Hz（振动频率）2005年5月17日星期二中子衍射（ND:NeutronDiffraction，弹性散射）Whatsortofanalysescanneutronsbeusedfor?NeutrondiffractionNeutrondiffractioncanprovidegeneralinformationaboutsamples.Byanalysingthewavesscatteredbyasample,scientistscancalculateitsatomicstructureandtherelativepositionofalltheatoms.72005年5月17日星期二中子衍射（ND:NeutronDiffraction，弹性散射）：中子衍射与X-ray衍射的比较（弹性散射范围）共同点：热中子波长范围与X-ray波长范围类似，均为1~10Å，与凝聚态物质原子间距量级相当。可利用衍射信息进行结构分析。衍射都遵从Bragg定律，衍射强度公式类似.2005年5月17日星期二中子衍射（ND:NeutronDiffraction，弹性散射）：中子衍射与X-ray衍射的比较（弹性散射范围）4sinfπθλ∴∝X-ray是与核外电子作用且λ与原子尺度比不能视原子为“点”即f与散射角θ相关中子是与原子核相互作用，中子散射振幅b与核外电子数Z无关，且可视核为“点”，b与θ无关。对轻元素不敏感（Z小）对Z相近的元素区分能力差b取决于核的性质，C同位素可区别元素氢氘氮碳b（x10-12cm）1.745.45.511.4C中子衍射对氢元素敏感能鉴别Z相近元素，甚至同位素fZ∴∝2XIZ∴∝差异一：82005年5月17日星期二中子衍射（ND:NeutronDiffraction，弹性散射）：中子衍射与X-ray衍射的比较（弹性散射范围）差异二：中子具有磁矩，而X-ray是电磁波，无此特征。C用中子的磁衍射性质，可研究磁结构（磁晶胞大小、磁性原子位置、对称性等）。2005年5月17日星期二中子衍射（ND:NeutronDiffraction，弹性散射）：1）衍射（极大）满足Bragg定律2）衍射强度（衍射峰积分强度）2sinhklhkldnθλ=2,exp[2()]nhklhklhkljjjjjIFFbihxkylzπ∝=++∑F为结构因子bj为单位晶胞中第j个原子核的中子相干散射振幅，xj,yj,zj为第j个原子核在单位晶胞中的位置参数92005年5月17日星期二中子衍射（ND:NeutronDiffraction，弹性散射）：222,,,hklnhklmhklhklhklmhklIIIFqF=+∝+22sinhklhklqα=2202jjjerpfMcμ=3）磁性晶体的中子衍射强度式中αhkl是原子磁矩取向与（hkl）反射角法线的夹角,exp[2()]mhkljjjjjFpihxkylzπ=++∑其中pj是磁晶胞中第j个原子的磁散射振幅。e：电子电荷c：光速r：中子磁矩μj：第j个原子磁矩M0：电子质量fj：第j个原子磁形状因子可见：测磁的中子衍射强度可确定磁矩方向磁矩值的大小磁矩排列方式磁结构即2005年5月17日星期二中子衍射（ND:NeutronDiffraction，弹性散射）：4）分离磁衍射强度与核衍射强度的几种方法软磁：外加磁场改变磁矩方向，使q2=0永磁：加热到居里点TC以上（顺磁）TC以下反铁磁：出现的超结构峰，不与核衍射峰重迭螺旋磁结构：出现伴线各测一次，相减，且进行温度修正反铁磁例子：《固体物理学》（下册）P284－286MnO（室温）无磁性低温（80k）有反铁磁磁性（反铁磁结构带来超结构峰）（只有原子排列对应的结构峰）102005年5月17日星期二中子衍射（ND:NeutronDiffraction，弹性散射）：SimplecubicantiferromagnetabRealspacemamb*a*b*ma*mbReciprocalSpace2005年5月17日星期二中子衍射（ND）：几种实验方法1）飞行时间中子衍射中子源：脉冲、多色中子源（离子加速器）衍射满足Bragg定律：飞行时间Bragg定律0002sin2sin2sinhklhkldhhhtpMvMlhtdMlθλλλθθ====∴==lv=l/t固定θ、l，测thklÆdhkl，所以测量得到I~t曲线112005年5月17日星期二中子衍射（ND）：几种实验方法2）粉末中子衍射（用单色种子－－反应堆Reactor出来的是多色，经单色器成为单色中子）与X-ray粉末衍射分析法相同可作：轻元素在晶格中位置的确定（N,Li,O,…）NaH有序转变的研究：Fe-Co,Fe-Cr,Ni-Mn生物分子结构研究（H,C）2005年5月17日星期二中子衍射（ND）：几种实验方法3）X-N方法：X-ray衍射（XRD）中子衍射（ND）结合进行分析，可研究“极化”现象及电子密度分布等精确XRDÆ测定原子精确位置（是电子电荷密度中心位置）NDÆ测定原子核精确位置（是原子核的位置）有“极化”现象时，两者不重合（可达到0.2Å）例：斜方S，Cr(Co)6的形变电荷密度分布。122005年5月17日星期二中子衍射（ND）：几种实验方法3）中子小角散射：原理与X-ray小角散射同，有以下四个优点：a)可用4Å以上长波中子，从而避免了二级反射，简化了分析b)中子穿透性好（无库仑相互作用），故试样厚度可以比XRD高一个数量级c)可利用同位素效应加大反差，便于研究颗粒各部分结构及生物分子个组分的构型d)中子有磁矩，可用于研究磁性物质中磁的不均匀性（结团、析出等）还有单晶中子衍射