Структурная нейтронография

Стремясь проникнуть в глубь вещества и изучить его структуру, исследователи создавали все более эффективные инструменты и методы. На смену оптическому микроскопу пришел электронный микроскоп с несравненно более высоким разрешением. Рентгеноструктурный анализ позволил «увидеть» форму атомной решетки кристалла и даже проследить за ее изменениями под действием внешних условий например, при изменении температуры и давления. Сравнительно недавно были созданы, развиты и усовершенствованы новые методы изучения вещества, основанные на рассеянии в нем нейтронов.

Нейтрон, как и любая другая частица, одновременно обладает и свойствами волны. Поэтому поток нейтронов можно рассматривать как очень коротковолновое излучение (характерная длина волны – порядка 0,03 нм, или 0,3 ангстрема). Проходя через вещество, нейтроны испытывают дифракцию – рассеяние на отдельных атомах, при котором из начального пучка частиц возникают дополнительные отклоненные потоки. Их направление и интенсивность зависят от строения рассеивающего объекта. В кристалле, например, можно выделить набор правильных атомных слоев – кристаллографических плоскостей, при отражении от которых потоки нейтронов меняют интенсивность. Максимумы интенсивности возникают в направлениях, где на разности путей двух отраженных пучков укладывается целое число их волн. Это условие рассеяния волн кристаллом было обнаружено в 1913г. английским физиком У.Л. Брэггом (1890–1971) и советским Г.В. Вульфом (1863–1925) для рентгеновского излучения; оно справедливо и для любых других волн. Измеряя углы рассеяния нейтронов, можно воссоздать атомную структуру вещества.

За основополагающие работы по исследованию законов рассеяния нейтронов и за создание принципиально новых методов исследования жидкостей и твердых тел – структурной нейтронографии – Королевская Академия наук Швеции присудила в 1994 г. Нобелевскую премию по физике американскому физику Клифорду Шаллу и канадскому исследователю Бертрому Брокгаузу.

Структурная нейтронография позволяет проследить за поведением каждого атома. На рис. 4.4 показана проекция упругого рассеяния нейтронов в кристалле КН₂РО₄ вблизи водородной связи О–Н–О. Видны два атома кислорода (сплошные линии) и два атома водорода (пунктирные линии). Расстояние между ними при комнатной температуре (293К) – порядка 10^-12 см (рис. 4.4,а). Понижение температуры до 77 К вызвало фазовый переход, при котором один атом водорода приблизился к атому кислорода на 0,37 · 10^-12 см (рис. 4.4,б).

Рис. 4.4. Картина упругого рассеяния нейтронов при

комнатной (а) и низкой (б) температурах

Нейтронография – одно из крупнейших достижений ядерной физики последнего времени. Она отрывает широкие возможности микроскопических исследований многообразных не только физических, о и химических, и биологических объектов. Такое многогранное применение нейтронографии, по сути физического метода, свидетельствует о тесной взаимосвязи различных отраслей современного естествонания: физики, химии, биологии.

Контрольные вопросы

1. Дайте краткую характеристику модели атома Томсона.

2. Охарактеризуйте планетарную модель атома.

3. Можно ли с помощью теории Бора объяснить структуру атомов всех элементов таблицы Менделеева?

4. В чем сущность принципа неопределенности?

5. Сформулируйте принцип дополнительности.

6. Кто и когда сформулировал основное уравнение нерелятивистской квантовой механики?

7. В чем заключается принцип причинности для микропроцессов?

8. Назовите основные характеристики элементарных частиц.

9. Кто и когда предсказал существование античастиц?

10. Из каких частиц состоит атомное ядро?

11. Кто и когда предложил гипотезу кварков?