12743 skan0118

230 A. FULIŃSKI

Jeszcze do niedawna spektroskopia neutronowa była jedyną metodą pozwalającą na znalezienie przejść niskoenergetycznych (o energiach rzędu kilkudziesięciu mcV). Obecnie jednak obszar ten może być badany, i to znacznie dokładniej, również metodami optycznymi. Spektroskopia neutronowa jest — w porównaniu z metodami optycznymi — metodą trudną eksperymentalnie, kosztowną, i jednocześnie, na razie, niezbyt dokładną. Ma ona jednakże pewne cechy, które powodują, że w niektórych przypadkach może oddać duże usługi w badaniu dynamiki substancji.

Jedną z takich cech jest to, że nieelastyczne rozpraszanie neutronów nie podlega żadnym regułom wyboru. Zatem w widmie neutronowym obserwuje się wszystkie przejścia między wszystkimi poziomami energetycznymi danej substancji. Ma to znaczenie przy wyznaczaniu tzw. widma częstości oraz w pewnych przypadkach może — przez porównanie z widmami Ramana i widmami w podczerwieni pomóc w przyporządkowaniu poszczególnych częstości określonym przejściom. Z drugiej strony rozpraszanie neutronów cechuje wyjątkowa czułość na wodór. W tabeli 1 jest podany przykładowo

Tabela 1

Jądro	iH	^2iD	6c 7n 8o	1C.S	17CI	2He
c,	81,5	7,6	5,51 11,4 4,24	1,2	15	3,1 barnów

przekrój czynny a_s związanego jądra (jest to wielkość charakterystyczna dla jądra) kilku pierwiastków [1]. Wynika stąd, że w widmach neutronowych substancji zawierających wodór będą praktycznie widoczne tylko przejścia związane z ruchami protonów (np. natężenie pasm pochodzących od ruchów samych protonów będzie ok. 20 razy większe niż natężenie pasm pochodzących od ruchów samych jąder tlenu). Może to pozwolić na identyfikację pewnych przejść jako związanych z ruchami protonów, co może mieć znaczenie zwłaszcza w badaniu substancji zawierających wiązanie wodorowe. Dalsze możliwości w tym kierunku, dotychczas niestety jeszcze nie należycie wykorzystane, daje porównywanie widm neutronowych danej substancji zawierającej lekki i ciężki wodór, gdyż przekrój czynny deuteru, jak widać z tab. 1, jest przeszło dziesięciokrotnie niższy niż przekrój czynny wodoru i jest porównywalny z przekrojem czynnym np. tlenu. Jeśli zatem można by przypuszczać, że natężenie któregoś z wierzchołków neutronowych np. w widmie wody (rys. 1) jest zaniżone, gdyż wierzchołek ten jest związany przede wszystkim z ruchami jąder tlenu, to w widmie neutronowym ciężkiej wody natężenie tego wierzchołka powinno być wyższe w porównaniu z natężeniami innych wierzchołków'. Pod tym względem spektroskopia neutronowa jest metodą uzupełniającą w stosunku do spektroskopii optycznych, w takim samym znaczeniu jak dyfrakcja neutronowa uzupełnia dyfrakcję rentgenowską i elektronografię.

Ważniejszą może cechą charakterystyczną spektroskopii neutronowej jest fakt, że jest to właściwie jedyna metoda doświadczalna, która pozwala na wyznaczenie całkowitego widma częstości własnych. Jak wiadomo, mikrodynamikę sieci krystalicznej najwygodniej jest opisywać za pomocą liczby i rodzaju fononów' istniejących w tej sieci. Dany fonon (wzbudzenie elementarne) jest określony przez podanie jego wektora falowego q i energii e = tico (co — częstość fononu) oraz przez relacje dyspersji c = c(q). Zauważmy tu, że istotna jest znajomość wartości wektora falowego q od q = Q do <7 —granicy strefy Brillouina. Dla danego wektora q istnieje na ogół szereg różnych wartości co — innymi słowy w krysztale istnieje cały szereg gałęzi fononów' (akustycznych i optycznych). Dla danej wartości wektora falowego q istnieje więc pewna funkcja g_q(co). Pełne widmo częstości sieci, g(co), jest sumą wszystkich przyczynków g_q(co). Wielkość g{co)dco = g(c)dr. opisuje zatem prawdopodobieństwo znalezienia fononu o częstości zawartej w przedziale między co a oo-\-doo*\ W celu wyznaczenia widm częstości należy więc zmierzyć wszystkie częstości własne kryształu, odpowiadające wszystkim wartościom wektora falowego q w całej strefie Brillouina (po przekroczeniu wartości q, równej granicy strefy Brillouina, częstości się powtarzają). Na tym właśnie polega zasadnicza różnica pomiędzy spektroskopią neutronowy i spektroskopiami optycznymi. Niesprężyste rozpraszanie neutronów wyznacza mianowicie pełną funkcję g(co), podczas gdy spektroskopia

*> Pojęciem widma częstości własnych — jako prawdopodobieństwa znalezienia ruchu o częstości zawartej w przedziale co a co+c/co — można się posługiwać nie tylko dla kryształów. W tym miejscu omawiamy sytuację w kryształach tylko z tego powodu, że dyskusję problemu wyznaczania widma częstości najprościej jest przeprowadzić dla kryształu, posługując się pojęciem fononów. Wprowadzono zresztą ostatnio [4] pojęcie wzbudzeń elementarnych i ich widma częstości również dla cieczy, i to niekoniecznie cieczy o budowie r//m/-krystalicznej, np. wody.