Dispersió inelástica de neutrons

La dispersió de neutrons, la dispersió irregular de neutrons lliures per la matèria, pot referir-se al procés físic natural en sí o a les tècniques experimentals creades per l'home que utilisen el procés natural per a investigar materials. El fenomen natural/físic és de gran importància en ingenieria nuclear i en les ciències nuclears. Sobre la tècnica experimental, comprendre i manipular la dispersió de neutrons és fonamental per a les aplicacions utilisades en cristalografia, física, fisicoquímica, biofísica i ciència de materials.

La dispersió de neutrons es practica en fonts de neutrons procedents de reactors d'investigació o també obtingudes per mig d'espalación, que proporcionen radiació neutrónica d'intensitat variable. Les tècniques de difracció de neutrons (dispersió elàstica) s'utilisen per a analisar estructures en les que la dispersió inelástica de neutrons s'utilisa per a estudiar vibracions i uns atres estats d'excitació atòmics.

Dispersió de neutrons ràpits

Vore també: Temperatura neutrónica i Moderador nuclear

Els "neutrons ràpits" (vore temperatura neutrónica) tenen una energia cinètica superior a 1 MeV. Poden ser dispersats per matèria condensada (núcleus que tenen energies cinètiques molt per baix d'1 eV) com una aproximació experimental vàlida d'un choc elàstic en una partícula en repòs. En cada colisió, el neutró ràpit transferix una part important de la seua energia cinètica al núcleu en dispersió (matèria condensada), tanto más cuanto més llauger és el núcleu. I en cada colisió, el neutró "ràpit" es ralentisa fins a alcançar l'equilibri tèrmic en el material en el que està dispers.

Els moderadors nuclears s'utilisen per a produir temperatures neutrónicas, que tenen energies cinètiques inferiors a 1 eV (T <500 K). Els neutrons tèrmics s'utilisen per a mantindre una reacció nuclear en cadena en un reactor nuclear i com a ferramenta d'investigació en experiments de dispersió de neutrons i atres aplicacions de la ciència dels neutrons (vore més avall). El restant d'este artícul es concentra en la dispersió de neutrons tèrmics.

Interacció neutrons-matèria

Com els neutrons són eléctricamente neutres, penetren més profundament en la matèria que les partícules carregades eléctricamente d'energia cinètica comparable i, per lo tant, són valiosos com sondes de propietats globals.

Els neutrons interactuen en els núcleus atòmics i en els camps magnètics d'electrons desapareados, provocant efectes d'interferència i energia pronunciats en experiments de dispersió de neutrons. A diferència d'un fotó de rajos X en una llongitut d'ona similar, que interactua en l'orbital atòmic que rodeja al núcleu, els neutrons interactuen principalment en el núcleu mateix, com ho descriu el seudopotencial de Fermi. Les secciones travessers de dispersió i absorció de neutrons varien àmpliament d'isòtop a isòtop.

La dispersió de neutrons pot ser incoherent o coherent, depenent també de l'isòtop. Entre tots els isòtops, l'hidrogen té la secció travessera de dispersió més alta. Elements importants com el carbono i l'oxigen són prou visibles en la dispersió de neutrons, lo que contrasta marcadament en la dispersió de rajos X, a on les seccions travesseres aumenten sistemàticament en l'número atómico. Per lo tant, els neutrons es poden utilisar per a analisar materials en número atómico baixos, incloses proteïnes i tensioactivos. Açò es pot portar a terme amprant fonts sincrotrónicas, pero es necessiten intensitat molt altes, lo que pot provocar que les estructures canvien. El núcleu proporciona un alcanç molt curt, ya que el potencial isotòpic varia aleatoriamente d'un isòtop a un atre, lo que permet ajustar el contrast (dispersió) per a adaptar-ho a l'experiment.

La dispersió casi sempre presenta components elàstics i inelásticos. La fracció de dispersió elàstica està determinada pel factor de Debye-Waller o el factor de Mössbauer-Lamb. Depenent de l'aspecte a investigar, la majoria de les medicions es concentren en la dispersió elàstica o inelástica.

És important conseguir una velocitat precisa, és dir, una energia i una llongitut d'ona de De Broglie precisa d'un fes de neutrons. Estos fas d'energia única es denominen "monocromàtics" i la monocromaticidad es conseguix en un monocromador de cristal o en un espectrómetro de temps de vol. En la tècnica del temps de vol, els neutrons s'envien a través d'una seqüència de dos rendijas giratòries de modo que solament se seleccionen neutrons d'una velocitat particular. S'han desenrollat fonts de espalación que poden crear un pols ràpit de neutrons. El pols conté neutrons de moltes velocitats diferents o llongituts d'ona de De Broglie, pero les velocitats separades dels neutrons dispersos es poden determinar "despuix" medint el temps de vol dels neutrons entre la mostra i el detector de neutrons.

Dispersió magnètica

El neutró té una càrrega elèctrica neta de zero, pero té un moment magnètic significatiu, encara que solament al voltant del 0,1% del que posseïx un electró. No obstant, és lo suficientment gran com per a dispersar-se des de camps magnètics locals dins de la matèria condensada, proporcionant una sonda que interactua débilmente i, per lo tant, de manera penetrant, d'estructures magnètiques ordenades i fluctuacions d'espin d'electrons.