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Neutronenstreuung

Festkörperphysik, eine der wirksamsten Methoden zur Untersuchung von Kristallstrukturen. Dabei benutzt man monoenergetische Neutronenstrahlen und analysiert ihren Durchgang durch den Kristall. Neutronen, die aus einem Kernreaktor austreten, weisen ein breites Energiespektrum (Reaktorspektrum) auf. Trifft der Neutronenstrahl auf einen Kristall, genügen die unter der symmetrischen Richtung beobachteten Neutronen der Bragg-Bedingung (Braggsches Reflexionsgesetz), d.h. sie besitzen genau festgelegte Werte von Energie und Impuls, der Kristall funktioniert als Energiefilter (Monochromator).

Die grosse Bedeutung der Neutronenstreuung stammt von der Wechselwirkung der thermischen Neutronen mit Materie. Sie ist zu einer besonders wertvollen Untersuchungsmethode von bulk-Zuständen, magnetischer Ordnung und der Dynamik in Festkörpern und Flüssigkeiten geworden.

Für die meisten Isotope ist der Absorptionsquerschnitt der Neutronenstreuung klein (Ausnahmen: 3He, 10B, Cd, Sm, Gd), so dass Neutronenstrahlen einige mm oder sogar cm tief in die Probe eindringen. Bei der kohärenten Neutronenstreuung ist dem Querschnitt skoh eine Streulänge Neutronenstreuung zugeordnet. Beide Grössen sind abhängig von der Kern-Neutron-Wechselwirkung und zeigen isotopenspezifisch grosse Unterschiede von Probe zu Probe.

Im Gegensatz zur Röntgenstreuung steigt s nicht monoton mit der Atomzahl an, sondern ist für viele leichte Elemente genau so gross wie für schwere Elemente, wodurch leichte Atome mit Neutronenstreuung viel besser aufzulösen sind als mit Röntgenstreuung. Die Streulänge ist im wesentlichen unabhängig von der Neutronenenergie und der Formfaktor ist für kohärente Kernstreuung unabhängig vom Moment Q, so dass auch für hohe Streuwinkel Streuung beobachtet werden kann (SANS).

Durch sein magnetisches Moment ist das Neutron sensitiv für statische und fluktuierende magnetische Felder innerhalb des Festkörpers. So können mit Neutronenstreuung sowohl die Spinordnung als auch die Spindynamik bestimmt werden. Typischerweise kann man magnetische Neutronenstreuung bis ca. Q = 1 Å-1 beobachten.

Durch Spin- oder Isotopeninkohärenz kann es auch zu inkohärenter Neutronenstreuung kommen. Im Gegensatz zur kohärenten Neutronenstreuung, die interatomare Korrelationen abbildet (d.h. Positionen und Bewegungen), kann man mit inkohärenter Neutronenstreuung Einteilcheneffekte untersuchen.

Mit Neutronenstreuung lassen sich Anregungen in Festkörpern mit Momenten Q ³ 10 Å-1 und Energien von 1 meV-0,5 eV untersuchen, da thermische Neutronen - anders als Röntgenstrahlung - gleichzeitig der Energie und der Wellenlänge des untersuchten Systems angepasst sind. (inelastische Neutronenstreuung)

Neutronenstreuung: Eigenschaften des Neutrons.

Ruhemasse mn

1,675 × 10-24 g

magnetisches Moment mn

1,913 × mK

Ladung

0

Werte bei 10 meV

   Wellenlänge

2,86 Å

   Wellenvektor

2,197 Å-1

   Frequenz

2,418 THz

   Wellenzahl

80,65 cm-1

   Geschwindigkeit

1,38 km / s

   Temperatur

116,05 K

 

Neutronenstreuung

Neutronenstreuung: Kern-Streulängen b für thermische Neutronen als Funktion des Atomgewichts (zur Verfügung gestellt von Prof. H. Fuess).

 

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