La diffrazione dei neutroni è un'analisi tecnica basata sulla diffrazione dei neutroni sulla materia. È complementare diffrattometria a raggi X . Il dispositivo di misurazione utilizzato è chiamato diffrattometro . I dati raccolti formano il modello di diffrazione o diffrattogramma. Poiché la diffrazione avviene solo su materiale cristallino , si parla anche di radiocristallografia . Per i materiali non cristallini si parla di diffusione . La diffrazione è uno dei metodi di diffusione elastica .
Il primo esperimento di diffrazione neutronica fu eseguito nel 1945 da Ernest O. Wollan all'Oak Ridge National Laboratory . Fu raggiunto nel 1946 da Clifford Shull . Insieme, hanno stabilito i principi di base della tecnica e l'hanno applicata con successo a diversi materiali, affrontando problemi come la struttura del ghiaccio e le disposizioni microscopiche dei momenti magnetici nei materiali. Per questi risultati, Shull è stato insignito della metà del Premio Nobel per la fisica nel 1994 , essendo Wollan morto negli anni '90 (l'altra metà del Premio Nobel per la fisica è stata assegnata a Bertram Brockhouse per lo sviluppo della diffusione anelastica dei neutroni e il punto dello spettrometro a tre assi).
I neutroni sono particelle che sono legate nei nuclei di quasi tutti gli atomi . La diffrazione dei neutroni richiede l'uso di neutroni liberi, che normalmente non sono presenti in natura a causa della loro breve durata media di circa quindici minuti. Il neutrone può essere prodotto in due tipi di sorgenti :
I neutroni ottenuti vengono rallentati in acqua pesante per raggiungere una lunghezza d'onda dell'ordine di 10 −10 m , che è dello stesso ordine di grandezza delle distanze interatomiche nei materiali solidi. Grazie alla dualità onda-particella delle particelle quantistiche che sono neutroni, è quindi possibile utilizzarle per esperimenti di diffrazione, proprio come i raggi X o gli elettroni .
In un esperimento di scattering , i neutroni interagiscono direttamente con il nucleo degli atomi. Essendo di neutro carica elettrica , non interagiscono con le nuvole elettroniche degli atomi del cristallo, mentre i raggi X fanno . La diffrazione dei neutroni consente quindi di determinare le posizioni dei nuclei degli atomi in un materiale cristallino . Per lo stesso materiale, le differenze di misurazione sulle distanze dei legami interatomici sono generalmente minime se confrontiamo i risultati dei neutroni e dei raggi X, tranne nel caso di composti contenenti legami idrogeno o atomi con una nuvola di elettroni fortemente polarizzata.
Le interazioni neutrone-nucleo sono molto diverse per ogni isotopo : gli atomi leggeri (difficili da rilevare con i raggi X perché aventi un numero atomico basso ) possono avere un forte contributo all'intensità diffratta ed è anche possibile distinguere tra idrogeno e deuterio . I neutroni sono sensibili a diversi isotopi dello stesso atomo, che a volte possono porre problemi di correzione dell'assorbimento durante l'elaborazione dei dati (specialmente per i composti contenenti boro ) e richiedono l'uso (spesso costoso) di un singolo tipo di isotopo durante la crescita dei cristalli del materiale in studio
Poiché la dimensione dei nuclei atomici è molto inferiore alla lunghezza d' onda dei neutroni utilizzati nella diffrazione, il fattore di diffusione atomica è una funzione costante indipendente dal vettore di diffusione: l'intensità diffusa da un nucleo atomico è isotropa e non dipende dal passo della diffrazione angolo θ (a differenza della diffrazione dei raggi X). Questo grandangolo ad alta risoluzione per determinare con estrema precisione la posizione dei nuclei degli atomi e il loro tensore di agitazione termica .
Il fattore di struttura per la diffrazione dei neutroni è definito da
dove è il vettore di scattering, la lunghezza di scattering dell'atomo , il suo vettore di posizione e il suo fattore di Debye-Waller . La lunghezza di diffusione è generalmente un numero complesso . Non può essere calcolato come il fattore di forma atomico per i raggi X, il suo valore per ogni isotopo è accessibile solo sperimentalmente.
In un cristallo contenente atomi identici, la derivata della sezione trasversale rispetto all'angolo solido è data da
Tuttavia, la presenza naturale di più isotopi per lo stesso atomo porta all'uso di una lunghezza di diffusione media:
dov'è la concentrazione dell'isotopo . Se gli isotopi sono distribuiti uniformemente nel cristallo, ne consegue
Il primo termine descrive la diffrazione da parte di un cristallo contenente “atomi medi” di lunghezza media di diffusione: è la parte coerente della diffusione . Il secondo termine è una costante e deriva dalla distribuzione dei diversi isotopi, che distrugge il fenomeno di interferenza : è la diffusione incoerente, che in pratica porta ad un aumento del rumore di fondo durante le misure.
I neutroni trasportano una rotazione e possono interagire con momenti magnetici , come quelli provenienti dalla nuvola di elettroni che circonda un atomo. È quindi possibile determinare la struttura magnetica di un materiale utilizzando la diffrazione dei neutroni. In linea di principio, questo è possibile anche nel caso della diffrazione di raggi X, ma le interazioni tra raggi X e momenti magnetici sono così deboli che i tempi di misurazione diventano molto lunghi e richiedono l'uso della radiazione di sincrotrone .
La nuvola di elettroni di un atomo che trasporta un momento magnetico è di dimensioni paragonabili alla lunghezza d'onda dei neutroni: l'intensità delle riflessioni magnetiche diminuisce a grandi angoli di diffrazione.
Quando un materiale è in una fase paramagnetica , il disordine del momento magnetico produce una dispersione incoerente dei neutroni, proprio come la distribuzione isotopica di un elemento. Pertanto, una transizione di fase da uno stato paramagnetico a uno stato magnetico ordinato è accompagnata da un calo significativo del rumore di fondo nelle misurazioni: lo scattering incoerente si trasforma in uno scattering coerente, con la comparsa di nuove riflessioni "magnetiche". E / o un variazione di intensità delle riflessioni nucleari già presenti nella fase paramagnetica. Questa diminuzione del rumore di fondo è particolarmente visibile nei diffrattogrammi delle polveri.
I metodi utilizzati per la diffrazione dei neutroni sono essenzialmente gli stessi della diffrazione dei raggi X:
D'altra parte, le proprietà fisiche dei neutroni aprono altre possibilità per esperimenti di diffrazione.
Il metodo del tempo di volo ( TOF , time-of-flight in inglese) è un metodo di diffrazione neutronica policromatica che può essere utilizzato per campioni sotto forma di polvere o cristallo. Il diffrattogramma ottenuto consiste nella sovrapposizione di più riflessioni prodotte da diverse lunghezze d'onda. Questo metodo offre il vantaggio di utilizzare tutto il fascio incidente all'uscita del reattore: il fatto di selezionare una sola lunghezza d'onda infatti porta ad una notevole perdita di intensità del fascio, aumentando la durata degli esperimenti.
Neutroni che possiedono massa , la loro lunghezza d'onda è direttamente correlata alla loro velocità dalla relazione
dove è la costante di Planck , la massa del neutrone e la sua velocità (non relativistica per esperimenti di diffrazione). È quindi possibile determinare quale lunghezza d'onda corrisponde all'intensità diffratta misurando il tempo impiegato dai neutroni per percorrere la distanza tra la sorgente e il rivelatore bidimensionale: questo è il tempo di volo dei neutroni, determinato da
con la distanza interreticolare corrispondente alla riflessione fondamentale considerata, θ l'angolo di diffrazione e l'ordine di diffrazione .
Per misurare il tempo di volo dei neutroni, è necessario essere in grado di:
La soluzione è inviare un raggio incidente (periodico) pulsato sul campione. La durata dell'impulso δ deve essere molto breve per poter separare le lunghezze d'onda; la durata tra due impulsi Δ deve essere sufficientemente lunga da evitare la rivelazione simultanea di neutroni provenienti da due impulsi consecutivi. Un diffrattogramma completo si ottiene aggiungendo i diffrattogrammi di ogni impulso. Esistono due possibilità per produrre un fascio di neutroni pulsato:
Il primo utilizzo del metodo del tempo di volo per la diffrazione dei neutroni da polvere è stato descritto nel 1964.
La risoluzione delle riflessioni misurate dipende dall'angolo di diffrazione 2θ e dalla lunghezza d'onda; è meglio per lunghezze d'onda lunghe. I diffrattometri che utilizzano il metodo del tempo di volo hanno generalmente più rivelatori posizionati a differenti angoli di diffrazione di 2,, in modo da misurare simultaneamente diversi diffrattogrammi con diverse risoluzioni.
Grazie all'utilizzo dell'intero spettro all'uscita del reattore e di più rivelatori, questo metodo consente una raccolta dati più rapida rispetto a un diffrattometro che utilizza neutroni monocromatici. Tuttavia, l'analisi delle misure è più complicata perché la lunghezza di diffusione degli atomi dipende dalla lunghezza d'onda.
Metodo del tempo di volo a cristallo singoloA causa della lunga lunghezza di penetrazione dei neutroni nella materia, è possibile studiare campioni di dimensioni fino a diverse decine di centimetri. Ciò rende l'uso dei neutroni molto interessante per la ricerca industriale, in particolare per la misurazione della consistenza o dello stress in un materiale.
Poiché i neutroni non possono essere prodotti in quantità sufficienti in laboratorio, gli esperimenti di diffrazione possono essere eseguiti solo in un reattore di ricerca . Diversi diffrattometri sono messi a disposizione della comunità scientifica (elenco non esaustivo):