Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
3 декабря 2016, суббота, 12:44
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

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
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Facebook Google GPS IBM iPhone PRO SCIENCE видео ProScience Театр Wi-Fi альтернативная энергетика «Ангара» античность археология архитектура астероиды астрофизика Байконур бактерии библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса визуальная антропология вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология глобальное потепление грибы грипп демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение зоопарк Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии коронавирус космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. открытия палеолит палеонтология память педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории происхождение человека Протон-М психология психофизиология птицы ракета растения РБК РВК регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы Сингапур смертность Солнце сон социология спутники старообрядцы стартапы статистика технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа эволюция эволюция человека экология эпидемии этнические конфликты этология ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. 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, 1998–2014.