Dispersió de neutrons

La dispersió de neutrons és dir, la dispersió irregular de neutrons lliures per la matèria, pot referir-se al procés físic natural en sí o a les tècniques experimentals creades pel ser humà que utilisen el procés natural per a investigar materials. El fenomen natural/físic és d'importància fonamental en l'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 realisa en fonts de neutrons vinculades a reactors d'investigació i a instalacions d'espalación, que proporcionen distintes intensitat de radiació neutrónica. Les tècniques de difracció de neutrons (difracció elàstica) s'utilisen per a analisar estructures moleculars, mentres que la dispersió inelástica de neutrons s'ampra per a estudiar vibracions atòmiques i uns atres estats d'excitació de la matèria.

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 és dispersat.

Els moderadors nuclears s'utilisen per a controlar la temperatura neutrónica de les partícules generades, 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.

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 pseudopotencial de Fermi. Les secciones travessers de dispersió i absorció de neutrons varien àmpliament entre distints 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 tant, els neutrons es poden utilisar per a analisar materials en número atómico baixos, incloses proteïnes i tensioactivos. Açò es pot fer en fonts de sincrotrón, 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 isotrópico 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 pel factor de Mössbauer-Lamb. Depenent de la qüestió que s'investigue, la majoria de les medicions es concentren be en la dispersió elàstica o be en la inelástica.

És important conseguir una velocitat exacta del fes de neutrons (és dir, una energia i una llongitut d'ona de de Broglie precises). 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 o llongituts d'ona de De Broglie diferents, 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 l'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 débilment (i que per lo tant, és molt penetrant), en estructures magnètiques ordenades i fluctuacions d'espin d'electrons.