Neutrondiffraksie

Neutrondiffraksie is 'n tegniek om die struktuur van materiale te bestudeer deur hulle met neutrone te bombardeer en die (koherente) strooiing van die neutrone te meet. Die strooiing is gewoonlik elasties, maar kan soms onelasties wees.

Geskiedenis van die tegniek 

In die jare 1930 het navorsers begin om met diffraksie van neutrone te eksperimenteer, maar dit het nie tot bruikbare resultate gelei nie omrede die beskikbare bronne te swak was. In 1945 het dit verander. Kernreaktore het 'n Maxwell-spektrum van neutrone opgelewer waaruit Zinn met 'n baie groot kristal as monochromator 'n bundel neutrone met 'n noue bereik van golflengtes uitgeselekteer het, wat vir 'n diffraksie-eksperiment gebruik kon word. In vergelyking met X-straalbronne was dit nog steeds 'n swak bron gewees en het dit groot monsters vereis, wat die tegniek lank tot poeierdiffraksie beperk het. Rondom 1951 het dit duidelik geword dat dit nie die elektrone rondom die kern is wat verantwoordelik vir die strooiing is nie, soos in die geval by X-straaldiffraksie nie, maar die kern se spin, of – indien die materiaal magnetiese orde bevat – ook die ongepaarde elektron s'n. By die meeste isotope tree by 'n elastiese botsing 'n faseverskil van 180° in, maar daar bestaan ook isotope van elemente soos Li, Mn, H waar die faseverskil nul is. In 1951 het Shull en Wollan die koherente strooiingsamplitudes van sowat sestig elemente en isotope gepubliseer en dit was die begin gewees van die toepassing van neutrondiffraksie as 'n wetenskaplike tegniek.

Die strooiinglengtes kan baie verskil tussen die isotope van dieselfde element, byvoorbeeld vir nikkel:

Neutronebronne 
Daar is twee tipes bronne van neutrone wat vir diffraksie of ander vorme van strooiing gebruik kan word, naamlik kernsplyting en kernafsplintering.

Kernsplyting as bron 
Kernreaktore wat byvoorbeeld  of  gebruik vir 'n splytingsreaksie produseer ook neutrone wat gebruik kan word vir strooiingseksperimente. Hierdie bronne gee 'n voortdurende neutronestroom. Die momentumoordrag wat plaasvind by die strooiing word gemeet deur die strooiingshoek te bepaal. In Suid-Afrika het daar in 2015 twee nuwe instrumente vir neutrondiffraksie, MPISI en PITSI in werking getree by Necsa se SAFARI-1-navorsingsreaktor. PITSI is 'n poeierdiffraksie-instrument wat ondersoeke na fase-oorgange in die temperatuurgebiede 300-1800K en 3-350K moontlik maak.

Kernafsplintering as bron 
Baie intense neutronebronne ontstaan wanneer 'n bundel hoogenergieke deeltjies soos protone op 'n vaste teiken gerig word. Afsplintering (spallasie) van die kerne van die teiken kan plaasvind wat talle neutrone en protone vrystel. Voorbeelde van afsplinteringsinstallasies is die nTOF van CERN by Genève op die grens van Frankryk en Switserland en die SNS in Oak Ridge, Tennessee wat tans die sterkste neutronebron is waaroor navorsers beskik. Hierdie bronne is pulserend. Die momentumoordrag word gewoonlik gemeet deur die vlugduur (TOF: time of flight) van die neutrone te bepaal.

Magnetiese strukture 

Vir diamagetiese of paramagnetiese kristallyne materiale word die diffraksiepatroon heeltemaal bepaal deur die posisie (en temperatuurbeweging) van die atoomkerne hul kernspins. In materiale met ongepaarde elektrone wat ordening vertoon, dra egter ook die elektronspins by aan die patroon. Dit het gevolge vir die simmetrie van die struktuur. Die kristallografiese simmetrie kan altyd beskryf word as een van die 230 kristallografiese "grys" ruimtegroepe. Die lokale simmetrie op 'n punt binne die kristal kan toegewys word aan een van die 32 puntgroepe.

'n Element van 'n ruimtegroep, byvoorbeeld 'n spieêling m kan in aanwesigheid van ongepaarde spins egter twee verskillende operasies beteken. Die spieêling kan die elektronspin (wit -> wit) gelykhou of die spin omdraai (wit -> swart). Dat wil s^e dat daar twee verskillende operasies is m en m'. Dit geld ook vir tweetallige asse, inversies ensomeer. Shubnikov het die groepeteorie uitgebrei vir 'kleuregroepe' en afgelei dat daar nog 58 swart/wit puntgroepe aan die 32 grys groepe toegevoeg moet word en 1191 swart/wit ruimtegroepe aan die 230 grys ruimtegroepe as mens die swart-wit-operasie toevoeg aan die moontlike simmetrie-elemente.

Boonop kan ook 'n translasieselement gekombineer word met 'n 'kleur'verandering, 'n anti-translasie en dat wil sê dat die magenetiese eenheidssel groter kan wees as die kristallografiese een. 

X-straaldiffraksie is ongevoelig vir elektronspins en sal daarom die ooreenkomstige grys simmetrie van die kristal waarneem.

Verwysings 

Kristallografie
Vastestofchemie
Vastestoffisika