skan0116

226 A. FULIŃSKI

Ponieważ zasady spektroskopii neutronowej są zapewne mniej znane, niż zasady spektroskopii optycznej, przeto w pierwszym paragrafie tego artykułu przedstawimy pokrótce jak wygląda i na czym polega rozpraszanie powolnych neutronów. Pozwoli to na dokładniejsze określenie — w następnym paragrafie — cech ogólnych omawianej metody oraz na wskazanie jej wad i zalet. Następnie omówimy kolejno: znane obecnie widma neutronowe substancji z wiązaniem wodorowym, tzw. widma częstości takich substancji i informację, jaką można z nich uzyskać (posłużymy się tu widmami otrzymanymi dla lodu i wody), a w końcu pokażemy, w jaki sposób można z danych neutronowych uzyskać ilościową informację dotyczącą termodynamicznych parametrów strukturalnych ciekłej wody (i innych cieczy zasocjo-wanych).

2. Zasady spektroskopii neutronowej

Zasada spektroskopii neutronowej jest zbliżona do zasady spektroskopii ramanowskiej: w obu przypadkach strumień cząstek o określonej energii i pędzie (kierunku)^1} oddziałuje z badanym układem, przy czym energia i pęd tych cząstek ulega zmianie, którą się następnie analizuje. Różnica polega tylko na rodzaju użytych w eksperymencie cząstek rozpraszanych: w pierwszym przypadku mamy do czynienia z neutronami, w drugim — z fotonami. Jednakże fakt użycia innego rodzaju cząstek powoduje szereg zasadniczych różnic między tymi metodami i to różnic zarówno w aparaturze używanej do pomiarów (w stopniu trudności budowy takiej aparatury), jak i w samym mechanizmie oddziaływania z badaną substancją, co z kolei powoduje różnice w rodzaju informacji, jaka jest uzyskiwana podczas pomiaru.

Pozostawiając do następnego paragrafu omówienie cech charakterystycznych spektroskopii neutronowej i rodzaju informacji, jaką można uzyskać, przedstawimy obecnie schematyczny opis samego eksperymentu rozpraszania powolnych neutronów przez badany układ (próbkę) [1, 2], gdyż pozwoli to na zrozumienie trudności doświadczalnych, wskazując jednocześnie na przyczyny niezbyt wielkiej, w porównaniu z metodami optycznymi, dokładności obecnych pomiarów neutronowych.

Jedynymi obecnie źródłami neutronów, nadających się do wykorzystania, są reaktory jądrowe (ilości neutronów uzyskiwanych ze źródeł np. radowo--berylowych są zbyt znikome, aby je można było stosować do celów spektroskopii neutronowej). W osłonie reaktora znajdują się kanały, którymi część neutronów produkowanych w reaktorze wyprowadza się na zewnątrz. Ponieważ neutrony opuszczające strefę aktywną reaktora są zbyt szybkie (zbyt „gorące”), muszą zostać spowolnione w odpowiednim układzie, w którym wskutek zderzeń z jądrami spowalniacza tracą znaczną część energii. Spowalniacz, którym zazwyczaj jest jakaś substancja zawierająca dużą ilość wodoru (protonów), np. parafina, jest często ochładzany w celu zwiększenia efektywności jego pracy. W procesie spowalniania pewna ilość neutronów zostaje utracona (neutrony zostają rozproszone).

Neutrony wychodzące ze spowalniacza w pożądanym kierunku, odpowiadają światłu białemu, tzn. ich rozkład energii jest dany, mniej więcej, przez rozkład Maxwella-Boltzmanna. Dlatego też wycina się z nich tylko część neutronów, o określonej energii. Ideałem byłoby uzyskanie wiązki czysto monoenergetycznej, jednakże jest to trudne eksperymentalnie, a ponadto zmniejszenie szerokości pasma energetycznego automatycznie powoduje spadek intensywności strumienia neutronów, a zatem przedłuża czas pomiaru i zmniejsza jego dokładność. Z drugiej strony, rozmycie energetyczne wiązki neutronów padających na próbkę (szerokie pasmo) powoduje oczywiście zmniejszenie zdolności rozdzielczej urządzenia (nie wiadomo dokładnie, jaką energię początkową miał neutron rozproszony przez próbkę). Najczęściej używa się (z zastosowaniem filtru berylowego jako selektora energii) wiązki tzw. zimnych neutronów, o energii poniżej 5 meV (długości fali powyżej 4 A).

Uzyskana w ten sposób wiązka neutronów (odpowiednio skolimowana) pada na próbkę i oddziałując z jądrami próbki ulega rozproszeniu. Ponieważ należy unikać wielokrotnych (kolejnych) rozproszeń danego neutronu, gdyż fałszowałoby to otrzymany obraz dynamiki wewnętrznej próbki, wobec tego musi ona być dostatecznie cienka. Zwykle dobiera się taką grubość próbki, aby 10% padających neutronów uległo rozproszeniu (we wszystkich kierunkach) — dla wody np. grubość ta wynosi ok. 0,25 mm.

Neutrony rozproszone przez próbkę pod określonym kątem (w określo-

15*

1

⁾ Jest oczywiste, że w obu przypadkach możemy mówić o falach, zamiast o cząstkach (co zresztą często się robi).