17 июня 2019, понедельник, 23:39
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

11 декабря 2014, 12:23

Что могут рассказать нейтроны

Ричард Дронсковски
Ричард Дронсковски
Наташа Четверикова/Полит.ру

В среду 10 декабря в рамках проекта «Публичные лекции Полит.ру» выступил директор Института неорганической химии Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена, заведующий кафедрой химии твердого тела и квантовой химии, профессор Ричард Дронсковски (Richard Dronskowski). Тема его лекции «Химия и нейтроны».

Напомнив в начале лекции слушателям об истории открытия нейтронов, Ричард Дронсковский посвятил свой дальнейший рассказ использованию нейтронов в современных исследованиях структуры вещества.

В начале XX века выдающимся прорывом в науке стало создание дифракционного анализа, позволившего определять структуру кристаллов. Это стало возможным, благодаря открытию рентгеновских лучей. Вильгельм Конрад Рентген сделал это в конце 1895 года, а уже в 1912 году Макс фон Лауэ понял, что, если длина волны рентгеновского излучения сравнима с расстоянием между атомами в кристаллической решетке, то при прохождении луча через кристалл должна наблюдаться дифракция. Лучи будут отклоняться на строго определенное расстояние. Ученики фон Лауэ Вальтер Фридрих и Пауль Книппинг провели опыт, который подтвердил это предположение. Британские исследователи Уильям Генри Брэгг и Уильям Лоренс Брэгг (отец и сын) также работали с рентгеновскими лучами. Именно они научились по дифракционной картинке определять положение атомов. В итоге, благодаря всем этим ученым возник рентгеноструктурный анализ.

Но использование дифракции для изучения структуры вещества на этом не остановилось. Рентгеновское излучение – это поток фотонов. Если мы используем фотоны, почему бы не использовать электроны? Их длина волны тоже годится для появления дифракции. И такой метод действительно появился. Его часто называют «электронографией». Экспериментально открыть дифракцию электронов на кристаллах и создать электронографию удалось американцу Клинтону Джозефу Дэвиссону и британцу Джорджу Паджету Томсону.

Наконец, появился третий дифракционный метод – тот, который в данный момент больше всего интересует Ричарда Дронсковски. Поскольку нейтрон тоже может рассматриваться как волна, а длина его волны сопоставима с  межатомными расстояниями, дифракция при облучении кристалла потоком нейтронов также возможна. Ее открыли уже к началу 1950-х годов Клиффорд Шалл и Бертрам Брокхауз. Отметим, что открыватели все трех дифракционных методов: рентгеновского, электронного и нейтронного – получили Нобелевские премии по физике. А вот гамма-излучение в дифрактометрии использовать не удастся – длина волны слишком мала.

У нейтронной дифракции есть важные отличия от рентгеновской и электронной. Нейтроны рассеиваются не на электронных оболочках атомов, а на атомных ядрах. Это дает ряд преимуществ. Амплитуда рентгеновской и электронной дифракции зависит от заряда атома, на котором происходит рассеяние. Поэтому положение легких атомов, например, водорода, этими способами определить трудно. Также очень трудно на рентгеновском рефрактометрии различить ядра обычного водорода и дейтерия, отличающиеся только отсутствием и наличием нейтрона (1H и 2H). Нейтронные дифрактометры одинаково хорошо определяют положение тяжелых и легких ядер, а также способен различать изотопы.

Например, у гуанидина, который был синтезирован еще в 1861 году, формула выглядит очень простой: CH5N3. Однако расшифровать кристаллическую структуру гуанидина смогли при помощи нейтронной дифрактометрии лишь в 2009 году. Статья об этом была опубликована в журнале Chemistry – A European Journal группой ученых из Университета Тохоку (Япония) под руководством Такахиро Ямады и из Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена под руководством Ричарда Дронсковски. И лишь в 2013 году более совершенный метод нейтронной дифрактометрии позволил Ричарду Дронсковски и его коллегам окончательно определить положение атомов водорода в молекуле гуанидина и определить колебания атомов в этой молекуле. Статья об этом вышла в журнале Crystal Growth and Design.

Среди других преимуществ применения нейтронов – возможность исследовать вещества, не имеющие кристаллического строения. Также нейтронная дифрактометрия – единственная из трех дифрационных методов, который позволяет установить распределение магнитный моментов у атомов вещества. Это возможно благодаря тому, что нейтрон имеет собственный магнитный момент, возникающий благодаря спину нейтрона равному 1/2. Именно нейтронные дифрактометры позволили открыть новые классы магнитных материалов: антиферромагнетики и ферримагнетики.

Важнейший компонент нейтронного дифрактометра – детектор, который регистрирует пролетевшие через исследуемый образец нейтроны. Лучший материал для обнаружения нейтронов – изотоп гелий 3He. При столкновении ядра гелия-3 с протоном оно расщепляется: n + 3He → 3H + 1H. Продукты этой реакции легко регистрируются, например, счетчиком Гейгера. Но в США – основным поставщике гелия на мировой рынок – еще при президенте Буше – были введены ограничения на экспорт гелия-3. Это затормозило развитие детекторов нейтронов во всем мире. Теперь применяются и другие элементы, например изотоп бора 10B. При его столкновении с нейтроном образуется литий-7 и альфа-частица (ядро гелия-4):  n + 10B → 7Li + 4He.

Центром опытов по нейтронной физике в Германии служит FRM II (Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz). Это исследовательский реактор, расположенный городе Гархинг, который граничит с Мюнхеном. Гархинг – крупный научный центр, где помимо FRM II находятся несколько других институтов. Благодаря реактору FRM II в Германии ставятся опыты по нейтронной дифрактометрии.

Сейчас Ричард Дронсковски и его коллеги работают над проектом нейтронного дифрактометра нового поколения. Он будет называться POWTEX. Его разработка ведется с 2007 года, а первые эксперименты на нем ученые надеются провести в 2016 году. Этого момента с нетерпением ждут немецкие специалисты по физике твердого тела, химии, наукам о материалах и другие исследователи. В нейтронном детекторе POWTEX будет использован бор-10. Для обработки дифракционной картинки создается специальный компьютерный алгоритм. Помимо высокой точности POWTEX будет отличаться большой скоростью работы, не уступая рентгеновским дифрактометрам. Пока нейтронная дифрактометрия по этому показателю значительно уступают рентгеновской.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Металлургия Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты киты климатология комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство школа экология эпидемии эпидемиология этология язык Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129090, г. Москва, Проспект Мира, дом 19, стр.1, пом.1, ком.5
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.