La dispersión de neutrones , la dispersión irregular de neutrones libres por la materia, puede referirse al proceso físico natural en sí o a las técnicas experimentales creadas por el hombre que utilizan el proceso natural para investigar materiales. El fenómeno natural/físico es de importancia elemental en la ingeniería nuclear y las ciencias nucleares. En cuanto a la técnica experimental, comprender y manipular la dispersión de neutrones es fundamental para las aplicaciones utilizadas en cristalografía , física , química física , biofísica e investigación de materiales .
La dispersión de neutrones se practica en reactores de investigación y fuentes de neutrones de espalación que proporcionan radiación de neutrones de intensidades variables . Las técnicas de difracción de neutrones ( dispersión elástica ) se utilizan para analizar estructuras; donde la dispersión inelástica de neutrones se utiliza para estudiar vibraciones atómicas y otras excitaciones .
Los "neutrones rápidos" (ver temperatura de los neutrones ) tienen una energía cinética superior a 1 MeV . Pueden ser dispersados por materia condensada (núcleos que tienen energías cinéticas muy por debajo de 1 eV) como una aproximación experimental válida de una colisión elástica con una partícula en reposo. En cada colisión, el neutrón rápido transfiere una parte importante de su energía cinética al núcleo en dispersión (materia condensada), tanto más cuanto más ligero es el núcleo. Y con cada colisión, el neutrón "rápido" se ralentiza hasta alcanzar el equilibrio térmico con el material en el que está disperso.
Los moderadores de neutrones se utilizan para producir neutrones térmicos , que tienen energías cinéticas inferiores a 1 eV (T < 500 K). [1] Los neutrones térmicos se utilizan para mantener una reacción nuclear en cadena en un reactor nuclear y como herramienta de investigación en experimentos de dispersión de neutrones y otras aplicaciones de la ciencia de los neutrones (ver más abajo). El resto de este artículo se concentra en la dispersión de neutrones térmicos.
Como los neutrones son eléctricamente neutros, penetran más profundamente en la materia que las partículas cargadas eléctricamente de energía cinética comparable y, por tanto, son valiosos como sondas de propiedades globales.
Los neutrones interactúan con los núcleos atómicos y con los campos magnéticos de electrones desapareados, provocando efectos pronunciados de interferencia y transferencia de energía en experimentos de dispersión de neutrones. A diferencia de un fotón de rayos X con una longitud de onda similar, que interactúa con la nube de electrones que rodea el núcleo , los neutrones interactúan principalmente con el propio núcleo, como lo describe el pseudopotencial de Fermi . Las secciones transversales de dispersión y absorción de neutrones varían ampliamente de un isótopo a otro.
La dispersión de neutrones puede ser incoherente o coherente, dependiendo también del isótopo. Entre todos los isótopos, el hidrógeno tiene la sección transversal de dispersión más alta. Elementos importantes como el carbono y el oxígeno son bastante visibles en la dispersión de neutrones; esto contrasta marcadamente con la dispersión de rayos X, donde las secciones transversales aumentan sistemáticamente con el número atómico. Por tanto, los neutrones se pueden utilizar para analizar materiales con números atómicos bajos, incluidas proteínas y tensioactivos. Esto se puede hacer en fuentes de sincrotrón, pero se necesitan intensidades muy altas, lo que puede provocar que las estructuras cambien. El núcleo proporciona un alcance muy corto, ya que el potencial isotrópico varía aleatoriamente de un isótopo a otro, lo que permite ajustar el contraste (dispersión) para adaptarlo al experimento.
La dispersión casi siempre presenta componentes elásticos e inelásticos. La fracción de dispersión elástica está determinada por el factor de Debye-Waller o el factor de Mössbauer-Lamb . Dependiendo de la pregunta de investigación, la mayoría de las mediciones se concentran en la dispersión elástica o inelástica.
Es importante lograr una velocidad precisa, es decir, una energía y una longitud de onda de De Broglie precisas, de un haz de neutrones. Estos haces de energía única se denominan "monocromáticos" y la monocromaticidad se logra con un monocromador de cristal o con un espectrómetro de tiempo de vuelo (TOF) . En la técnica del tiempo de vuelo, los neutrones se envían a través de una secuencia de dos rendijas giratorias de modo que sólo se seleccionan neutrones de una velocidad particular. Se han desarrollado fuentes de espalación que pueden crear un pulso rápido de neutrones. El pulso contiene neutrones de muchas velocidades diferentes o longitudes de onda de De Broglie, pero posteriormente se pueden determinar velocidades separadas de los neutrones dispersos midiendo el tiempo de vuelo de los neutrones entre la muestra y el detector de neutrones.
El neutrón tiene una carga eléctrica neta de cero, pero tiene un momento magnético significativo , aunque sólo alrededor del 0,1% del del electrón . Sin embargo, es lo suficientemente grande como para dispersarse desde campos magnéticos locales dentro de la materia condensada, proporcionando una sonda que interactúa débilmente y, por lo tanto, es penetrante, de estructuras magnéticas ordenadas y fluctuaciones de espín de electrones. [2]
La dispersión inelástica de neutrones es una técnica experimental comúnmente utilizada en la investigación de materia condensada para estudiar el movimiento atómico y molecular, así como las excitaciones de campos magnéticos y cristalinos. [3] [4] Se distingue de otras técnicas de dispersión de neutrones al resolver el cambio en la energía cinética que se produce cuando la colisión entre los neutrones y la muestra es inelástica. Los resultados generalmente se comunican como el factor de estructura dinámica (también llamado ley de dispersión inelástica) , a veces también como la susceptibilidad dinámica donde el vector de dispersión es la diferencia entre el vector de onda entrante y saliente , y es el cambio de energía experimentado por la muestra (negativo el de el neutrón disperso). Cuando los resultados se representan en función de , a menudo se pueden interpretar de la misma manera que los espectros obtenidos mediante técnicas espectroscópicas convencionales; en la medida en que la dispersión inelástica de neutrones puede considerarse como una espectroscopia especial.
Los experimentos de dispersión inelástica normalmente requieren una monocromatización del haz incidente o saliente y un análisis energético de los neutrones dispersos. Esto se puede hacer mediante técnicas de tiempo de vuelo ( dispersión de tiempo de vuelo de neutrones ) o mediante reflexión de Bragg a partir de cristales individuales ( espectroscopia de neutrones de triple eje , retrodispersión de neutrones ). La monocromatización no es necesaria en las técnicas de eco ( eco de espín de neutrones , eco de espín de resonancia de neutrones ), que utilizan la fase de la mecánica cuántica de los neutrones además de sus amplitudes. [ cita necesaria ]
Los primeros experimentos de difracción de neutrones se realizaron en la década de 1930. [1] Sin embargo, no fue hasta alrededor de 1945, con la llegada de los reactores nucleares, que se hicieron posibles altos flujos de neutrones , lo que dio lugar a la posibilidad de realizar investigaciones estructurales en profundidad. Los primeros instrumentos de dispersión de neutrones se instalaron en tubos de haces en reactores de investigación polivalentes. En la década de 1960 se construyeron reactores de alto flujo optimizados para experimentos con haz-tubo. El desarrollo culminó con el reactor de alto flujo del Instituto Laue-Langevin (en funcionamiento desde 1972), que alcanzó el mayor flujo de neutrones hasta la fecha. Además de unas pocas fuentes de alto flujo, había unas veinte fuentes de reactores de flujo medio en universidades y otros institutos de investigación. A partir de la década de 1980, muchas de estas fuentes de flujo medio se cerraron y la investigación se concentró en unas pocas fuentes de alto flujo líderes en el mundo.
Hoy en día, la mayoría de los experimentos de dispersión de neutrones son realizados por científicos investigadores que solicitan tiempo de haz en fuentes de neutrones mediante un procedimiento de propuesta formal. Debido a las bajas tasas de conteo involucradas en los experimentos de dispersión de neutrones, generalmente se requieren períodos de tiempo de haz relativamente largos (del orden de días) para obtener conjuntos de datos utilizables. Las propuestas se evalúan en cuanto a viabilidad e interés científico. [5]
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