[科普中國]-中子衍射

原理

中子與其他微觀粒子一樣，具有波粒二象性。1

當(dāng)中子波以掠射角射向晶面，在相鄰兩晶面上反射的中子波，程差為與X射線一樣，當(dāng)等于中子波長的整數(shù)倍時，這兩支反射波相干而加強，由許多層的相干作用，出現(xiàn)明顯的衍射峰。中子衍射的布喇格公式為

式中

——晶面間距；

——掠射角；

——散射中子波長；

——衍射級次。1

在反射中子束中，對應(yīng)，成為一級衍射，其他成為次級衍射。通常一級衍射最強，強度隨的增加，迅速下降。在實際應(yīng)用中，只有前面很少幾級起作用。

特點對于非極化中子束，它在磁性晶體上的散射，中子衍射峰的強度是核衍射強度和磁衍射強度之和。

對于極化中子束，必須考慮到核散射振幅和磁散射振幅之間的相干現(xiàn)象，使衍射峰強度帶來加強或減弱的效果。1

中子衍射與X射線衍射區(qū)別中子衍射和X射線衍射十分相似，其不同之處在于：

1、X射線是與電子相互作用，因而它在原子上的散射強度與原子序數(shù)成正比，而中子是與原子核相互作用，它在不同原子核上的散射強度不是隨值單調(diào)變化的函數(shù)，這樣，中子就特別適合于確定點陣中輕元素的位置(X射線靈敏度不足)和值鄰近元素的位置（X 射線不易分辨）；

2、對同一元素，中子能區(qū)別不同的同位素，這使得中子衍射在某些方面，特別在利用氫-氘的差別來標(biāo)記、研究有機分子方面有其特殊的優(yōu)越性；

3、中子具有磁矩，能與原子磁矩相互作用而產(chǎn)生中子特有的磁衍射，通過磁衍射的分析可以定出磁性材料點陣中磁性原子的磁矩大小和取向，因而中子衍射是研究磁結(jié)構(gòu)的極為重要的手段；

4、一般說來中子比X 射線具有高得多的穿透性，因而也更適用于需用厚容器的高低溫、高壓等條件下的結(jié)構(gòu)研究。中子衍射的主要缺點是需要特殊的強中子源，并且由于源強不足而常需較大的樣品和較長的數(shù)據(jù)收集時間。

5、在實驗技術(shù)上與傳統(tǒng)方法稍有差別的還有利用不同波長的中子具有不同速度(能量)這一原理建立的飛行時間衍射法，主要用在加速器等強脈沖中子源上。2

中子衍射應(yīng)用中子衍射主要應(yīng)用于：

1、晶體單色器

從反應(yīng)堆引出的熱中子是連續(xù)譜。如果再引出孔道外面安置一單晶片，中子束以掠射角射向單晶片。根據(jù)布喇格條件

在與入射方向成角的方向上可接受到波長為的單能中子，是反射晶面的間距。改變不同的，就可以得到不同波長的單能中子。

2、極化中子中子束

選取適當(dāng)?shù)蔫F磁晶體，通過相干衍射可以有效地得到極化中子束。下面說明其原理。

對于任一非極化中子束，我們都可以看成兩個相反方向極化中子束之和。將中子束射到鐵磁晶體表面，在某一晶面上發(fā)生布喇格反射。由于磁散射振幅的大小與反射面和掠射角有關(guān)，因此對于某種晶體，反射束中只有自旋朝上的中子存在，才能達到產(chǎn)生極化中子束的目的。2

3、晶體空間結(jié)構(gòu)測定

根據(jù)布喇格衍射公式，要測定晶面間距和其它有關(guān)參量，要求中子波長和同數(shù)量級。一般晶體晶面間距在（0.1~1）nm之間，從反應(yīng)堆出來的熱中子能量在（0.1~0.0001）eV之間，相應(yīng)的波長為（0.03~3）nm，正好滿足要求。

首先是輕元素的定位工作。例如各種無機碳?xì)洹⒀趸?、NaH、TiHZrHHfHPdHWCMoCThC、UC、PbO、BaSO、SnO等結(jié)構(gòu)中輕元素的位置，主要都是靠中子衍射定出的，近期以來已經(jīng)擴展到有機分子方面如氨基酸維生素B，以至肌紅蛋白等較復(fù)雜大分子的結(jié)構(gòu)研究；對近鄰元素研究方面，可以舉出對3d過渡族合金Fe-CoFe-Co-VFe-Cr、Ni-Mn、Ni-Cr等樣品有序度的研究，這也是用X 射線很難作的；

4、磁結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用

用中子衍射研究磁結(jié)構(gòu)最早的工作是液氮溫度下MnO的反鐵磁結(jié)構(gòu)探討，確定了Mn原子在(111)面內(nèi)近鄰的磁矩方向相反20世紀(jì)50年代曾對許多反鐵磁體如FeONiOCoO[kg1]-FeO等進行了中子衍射研究，對尖晶石型鐵氧體如FeOMnFeO及石榴石型鐵氧體如YFeO[kg2]等也作了測量，證明了L.-E.F.奈耳提出的磁結(jié)構(gòu)模型是正確的。

利用中子在磁性物質(zhì)上的磁散射，還可以確定物質(zhì)中原子磁距的大小、取向和分布。螺旋磁結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)就是中子衍射測量的結(jié)果。50年代末首先在MnO中發(fā)現(xiàn)螺旋磁結(jié)構(gòu)，繼后在稀土及其合金中發(fā)現(xiàn)了各種各樣螺旋磁結(jié)構(gòu)，近年來還在一些反鐵磁體中發(fā)現(xiàn)非共線反鐵磁結(jié)構(gòu)，此外還用中子衍射方法研究了晶胞中各晶位的磁矩大小磁電子密度分布磁2