基本介紹
- 中文名：熱中子非彈性散射
- 外文名：Thermal neutron inelastic scattering
- 類型：散射效應
- 對象：中子
- 領域：物理
概述,測量方法,套用,金屬氫化物的熱中子非彈性散射譜,熱中子非彈性散射及其在材料科學中的套用,
概述
能量在幾百到幾毫電子伏範圍的熱中子入射到各種物質上發生能量改變的散射效應。熱中子對大多數物質都具有良好的穿透性，它的動能同處在一般溫度下物質內部分子或原子的振動、轉動、擴散等運動的能量相近，可以通過熱中子在這些原子、分子上的一次散射後所發生的能量變化情況來得到它們的運動情況。而由於中子束還兼具粒子流的特點，中子本身不帶電荷，具有磁矩，對同位素靈敏，因而同X 射線、紅外線、超音波技術等手段相比，熱中子非彈性散射技術常常能測定一些用這類"常規"技術測不到的數據，從而得到人們的重視。60年代以來，隨著強中子源（反應堆、加速器）的發展，這一技術獲得了很大的進展。已形成了一個比較成熟的邊緣學科，它的套用涉及固體物理、磁學、化學、冶金等許多領域。
測量方法
大體分兩種，一種是利用中子衍射方法從連續性中子源(反應堆)獲得單能中子入射到樣品上，並通過同樣方法來分析散射後的中子能量分布，這就是通常所謂的三軸譜儀；另一種是引用核技術中的飛行時間方法，利用飛行時間技術獲得和分析入射、出射中子的能量，這就是通稱的飛行時間譜儀。它除了可以配合適當的設備用於連續性中子源外，還適用於強的脈衝中子源，因而具有較好的發展前景。
在發展的初期，中子非彈性散射主要用於點陣動力學研究，首先是利用非彈性相干散射測定晶體樣品整個布里淵區內的聲子色散關係，從而獲得點陣原子間相互作用力的資料。仍在大量進行這方面的工作，但多半已同另一些專題(例如軟模相變、超導聲子譜軟化等)相聯繫；隨著中子源強度和實驗技術的改善，也開始將此方法套用於某些較複雜的系統(如聚合物和液晶)的研究。同聲子色散工作相類似的是利用中子和磁性原子之間的非彈性相互作用測定磁性材料的自旋波色散關係，為研究原子間的磁相互作用提供了重要信息，在利用中子非相干散射上，利用熱中子非彈性散射技術可以測定各種媒質的聲子譜，它也是這方面的主要工作之一。
在動態性能方面，非彈性散射還非常適合於測定液體或者某些材料（例如金屬氫化物、超離子導體等）中離子的擴散運動過程，它們在實驗上通常也稱為準彈性散射研究。
在不考慮散射中子的動量改變而僅觀察其能量變化的情況下，熱中子非彈性散射技術近似於喇曼譜學，但由於中子和物質的作用和電磁波不同，中子技術往往由於不受喇曼和紅外躍遷禁戒律的限制而觀察到更多的譜線，它在分子譜學、化學和材料研究上都很有用。
熱中子非彈性散射技術的主要缺點是設備龐大和源強度弱，因而常需較大的樣品，較長的測量時間和相對高的費用。
套用
金屬氫化物的熱中子非彈性散射譜
以金屬（或合金）氫化物的形式來貯氫是近十幾年來迅速發展起來的研究領域。一系列的具有優良性能的貯氫合金。對La-Ni系氫化物的巨觀熱力學性質和動力學行為已作了不少研究，在微觀結構方便套用中子和X射線衍射技術也有一些報導，但對此體系的熱中子非彈性散射的研究報導很少。由於熱中子非彈性散射譜可給出體系中原子（或分子）振動狀態的微觀結構，從而反映出各原子間的受理情況。氫對中子非彈性散射很敏感（b=79.9bar，中子對氫的非彈性散射幾率要比其它元素大幾十倍），故用中子非彈性散射研究金屬（或合金）氫化物的微觀動態和M-H鍵的大小是具有很大的優越性。研究了LaNi4.5Mn0.5Hx合金體系，得到了在三種不同氫含量下的熱中子非彈性散射譜，給出了其內部的動力學結構，並說明了Mn元素置換了LaNi5中的部分Ni元素後，M-H鍵的增強，從而導致LaNi4.5Mn0.5的平台壓力下降的巨觀現象。
熱中子非彈性散射及其在材料科學中的套用
熱中子非彈性散射的研究對象是凝聚態物質，材料當然是屬於凝聚態物質，但是某一種材料問題的解決，絕不是只用一種實驗技術，而是需要多種方法和技術的聯合才能解決。概括地說，對於材料科學，熱中子散射可以在以下三個方面做出它的貢獻。
（1）材料的微觀參量測定；
（2）材料科學中的基本關係式的研究；
（3）材料科學中基礎理論的研究。
以上只是熱中子非彈性散射研究的一部分。熱中子非彈性散射從1960年召開第一屆國際學術會議到已有二十多年的歷史。它所研究的領域，從反應堆慢化劑材料（包括固態和液態）發展到固體物理、化學、高分子聚合物以及生物物理等許多學科領域。對於材料科學來說，它還是處於開始階段，今後還會發展。
