[科普中国]-中子衍射

原理

中子与其他微观粒子一样，具有波粒二象性。1

当中子波以掠射角射向晶面，在相邻两晶面上反射的中子波，程差为与X射线一样，当等于中子波长的整数倍时，这两支反射波相干而加强，由许多层的相干作用，出现明显的衍射峰。中子衍射的布喇格公式为

式中

——晶面间距；

——掠射角；

——散射中子波长；

——衍射级次。1

在反射中子束中，对应，成为一级衍射，其他成为次级衍射。通常一级衍射最强，强度随的增加，迅速下降。在实际应用中，只有前面很少几级起作用。

特点对于非极化中子束，它在磁性晶体上的散射，中子衍射峰的强度是核衍射强度和磁衍射强度之和。

对于极化中子束，必须考虑到核散射振幅和磁散射振幅之间的相干现象，使衍射峰强度带来加强或减弱的效果。1

中子衍射与X射线衍射区别中子衍射和X射线衍射十分相似，其不同之处在于：

1、X射线是与电子相互作用，因而它在原子上的散射强度与原子序数成正比，而中子是与原子核相互作用，它在不同原子核上的散射强度不是随值单调变化的函数，这样，中子就特别适合于确定点阵中轻元素的位置(X射线灵敏度不足)和值邻近元素的位置（X 射线不易分辨）；

2、对同一元素，中子能区别不同的同位素，这使得中子衍射在某些方面，特别在利用氢-氘的差别来标记、研究有机分子方面有其特殊的优越性；

3、中子具有磁矩，能与原子磁矩相互作用而产生中子特有的磁衍射，通过磁衍射的分析可以定出磁性材料点阵中磁性原子的磁矩大小和取向，因而中子衍射是研究磁结构的极为重要的手段；

4、一般说来中子比X 射线具有高得多的穿透性，因而也更适用于需用厚容器的高低温、高压等条件下的结构研究。中子衍射的主要缺点是需要特殊的强中子源，并且由于源强不足而常需较大的样品和较长的数据收集时间。

5、在实验技术上与传统方法稍有差别的还有利用不同波长的中子具有不同速度(能量)这一原理建立的飞行时间衍射法，主要用在加速器等强脉冲中子源上。2

中子衍射应用中子衍射主要应用于：

1、晶体单色器

从反应堆引出的热中子是连续谱。如果再引出孔道外面安置一单晶片，中子束以掠射角射向单晶片。根据布喇格条件

在与入射方向成角的方向上可接受到波长为的单能中子，是反射晶面的间距。改变不同的，就可以得到不同波长的单能中子。

2、极化中子中子束

选取适当的铁磁晶体，通过相干衍射可以有效地得到极化中子束。下面说明其原理。

对于任一非极化中子束，我们都可以看成两个相反方向极化中子束之和。将中子束射到铁磁晶体表面，在某一晶面上发生布喇格反射。由于磁散射振幅的大小与反射面和掠射角有关，因此对于某种晶体，反射束中只有自旋朝上的中子存在，才能达到产生极化中子束的目的。2

3、晶体空间结构测定

根据布喇格衍射公式，要测定晶面间距和其它有关参量，要求中子波长和同数量级。一般晶体晶面间距在（0.1~1）nm之间，从反应堆出来的热中子能量在（0.1~0.0001）eV之间，相应的波长为（0.03~3）nm，正好满足要求。

首先是轻元素的定位工作。例如各种无机碳氢、氧化物、NaH、TiHZrHHfHPdHWCMoCThC、UC、PbO、BaSO、SnO等结构中轻元素的位置，主要都是靠中子衍射定出的，近期以来已经扩展到有机分子方面如氨基酸维生素B，以至肌红蛋白等较复杂大分子的结构研究；对近邻元素研究方面，可以举出对3d过渡族合金Fe-CoFe-Co-VFe-Cr、Ni-Mn、Ni-Cr等样品有序度的研究，这也是用X 射线很难作的；

4、磁结构方面的应用

用中子衍射研究磁结构最早的工作是液氮温度下MnO的反铁磁结构探讨，确定了Mn原子在(111)面内近邻的磁矩方向相反20世纪50年代曾对许多反铁磁体如FeONiOCoO[kg1]-FeO等进行了中子衍射研究，对尖晶石型铁氧体如FeOMnFeO及石榴石型铁氧体如YFeO[kg2]等也作了测量，证明了L.-E.F.奈耳提出的磁结构模型是正确的。

利用中子在磁性物质上的磁散射，还可以确定物质中原子磁距的大小、取向和分布。螺旋磁结构的发现就是中子衍射测量的结果。50年代末首先在MnO中发现螺旋磁结构，继后在稀土及其合金中发现了各种各样螺旋磁结构，近年来还在一些反铁磁体中发现非共线反铁磁结构，此外还用中子衍射方法研究了晶胞中各晶位的磁矩大小磁电子密度分布磁2