什么是中子衍射?

什么是中子衍射?

[拼音]：zhongzi yanshe

[外文]：neutron diffraction

热中子流被固体、液体或气体中的原子散射引起的衍射现象，用于研究物质（金属）的微观结构。

中子衍射用于晶体结构的分析比 X射线衍射和电子衍射要晚，这是由于中子衍射要求使用从反应堆中得到的热中子流。热中子具有约0.025eV的动能，相应的波长约1┱左右。

中子衍射的特点

与X射线衍射和电子衍射相似，布喇格公式也适用于中子衍射。但中子与物质中原子的相互作用有其特点：

（1）当X射线或电子流与物质相遇产生散射时，主要是以原子中的电子作为散射中心，因而散射本领随物质的原子序数的增加而增加，并随衍射角2ι的增加而降低。中子流不带电，与物质相遇时，主要与原子核相互作用，产生各向同性的散射，且散射本领和物质的原子序数无一定的关系。

（2）中子的磁矩和原子磁矩（即电子和原子核的自旋磁矩和轨道磁矩的总和）有相互作用，其散射振幅随原子磁矩的大小和取向而变化。

中子衍射的应用

上述特点使中子衍射和 X射线和电子衍射能相互补充。在金属研究中中子衍射的最主要的应用领域为下列三个方面：

含有重原子的化合物中轻原子的位置的测定

当某种化合物中含有原子序数很大的重元素（如钨、金、铅等）及原子序数小的轻元素（如氢、锂、碳等）时，利用X射线或电子衍射测定其晶体结构比较困难，因为这时重元素的电子多，散射本领比轻元素的散射本领要高出许多，以致轻元素在晶胞中的位置很难确定。中子衍射可以成功地解决这一问题。例如，利用中子衍射，测定出锆、铪、钍等的氢化物中氢原子单个地处在四面体间隙中；还测定出碳原子在含锰的奥氏体中处于八面体间隙位置上。

原子序数相近的原子相对位置的确定

例如，Fe-Co合金在有序无序转变时，其X射线衍射图上应该出现超点阵线条；但由于这两种元素的原子序数相近，它们对X射线及电子波的散射本领也很相近，使超点阵线条难以分辨。若采用中子衍射，超点阵线条就清晰得多。

铁磁、反铁磁和顺磁物质的研究

根据磁散射的强度可以判定原子磁矩的数值，借以测定磁的超结构。

中子衍射实验方法

由准直管从反应堆中引出热中子流，先用晶体反射使之单色化，再照射到几毫米厚的试样上，中子衍射的衍射线位置及强度可以利用盖革（或正比）计数管进行测量、记录。计数管中通常充以含大量10B的BF3气体，以提高捕获中子的效率。

参考书目

G.E.Bacon， Neutron Diffraction， 2nd ed.， Clar-endon，Oxford， 1962.