Νετρόνια για τη πυρηνική φυσική και τη μελέτη της συμπυκνωμένης ύλης.

’ρθρο, Ιανουάριος 2002

Εφαρμογές του νετρονίου

Το νετρόνιο είναι ένα ισχυρό εργαλείο για τη μελέτη της συμπυκνωμένης ύλης (στερεά και υγρά) στον κόσμο γύρω από μας, έχοντας σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις άλλες μορφές της ακτινοβολίας, πάνω στη μελέτη των μικροσκοπικών δομών. Η σκέδαση των νετρονίων δίνει αναλυτικές πληροφορίες για τη μικροσκοπική συμπεριφορά της συμπυκνωμένης ύλης, διαδραματίζοντας έτσι έναν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της πειραματικής και θεωρητικής κατανόησης των υλικών, που κυμαίνεται από το μαγνητισμό και την υπεραγωγιμότητα έως τις χημικές επιφάνειες και τις επιφάνειες επαφής.

Στο τέλος του Δευτέρου Παγκόσμιου Πολέμου, οι ερευνητές στις ΗΠΑ απόκτησαν πρόσβαση σε μεγάλες ροές νετρονίων που ακόμη και οι σχετικά μέτριοι πυρηνικοί αντιδραστήρες ήταν σε θέση να παράγουν. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι ορισμένοι πυρήνες ουρανίου, όπως το U-235, είναι δυνατόν να διασπαστούν σε ελαφρότερους πυρήνες κατά τον βομβαρδισμό τους με ένα νετρόνιο.

Ο Enrico Fermi έδειξε το 1942 ότι τα νετρόνια, που προέρχονται από τη διάσπαση του πυρήνα του ουρανίου (νετρόνια σχάσης), θα μπορούσαν να συντηρήσουν μια ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση. Αυτός είχε κάνει νωρίτερα τη σημαντική ανακάλυψη, πως επιβραδυνόμενα ή θερμικά νετρόνια εμφανίζουν πολύ μεγαλύτερη κλίση για να αντιδράσουν με τους πυρήνες, απ' ό,τι τα γρήγορα νετρόνια (Ο Fermi πήρε το βραβείο Νόμπελ για αυτήν την ανακάλυψη, μαζί με άλλους, το 1938).

Οι ειδικές ιδιότητες αυτών των αργών ή θερμικών νετρονίων είναι που τα καθιστούν κατάλληλα για ανίχνευση των θέσεων και τις μετακινήσεις των ατόμων του κρυσταλλικού πλέγματος. Ακόμη και πριν από την είσοδο των πυρηνικών αντιδραστήρων μέσα στον ερευνητικό χώρο, τα αποτελέσματα της χρησιμοποίησης των απλών πηγών νετρονίων είχαν δείξει ότι οι ακτίνες νετρονίων θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μελέτη των στερεών σωμάτων και των υγρών (συμπυκνωμένη ύλη).

Εντούτοις, υπήρξαν πολλές δυσκολίες που έπρεπε να  υπερνικηθούν, προτού  μπορέσουμε να εκμεταλλευτούμε αυτές τις δυνατότητες των νετρονίων.

Πολύ αργότερα, το βραβείο Νόμπελ του 1994 στη φυσική, απονεμήθηκε στους Bertram Brockhouse και Clifford Shull για τις πρωτοποριακές συνεισφορές τους στην ανάπτυξη των τεχνικών σκεδαζομένων   νετρονίων για τις μελέτες της   συμπυκνωμένης ύλης: για την ανάπτυξη των τεχνικών διάθλασης νετρονίων και φασματοσκοπίας νετρονίων. Με πιο απλά λόγια, βοήθησαν να απαντηθούν οι ερωτήσεις που  "είναι" τα άτομα και τι "κάνουν" τα άτομα.

Γιατί χρησιμοποιούνται τα νετρόνια για τη μελέτη της συμπυκνωμένης ύλης

Τα νετρόνια σκεδάζονται από τα υλικά με την αλληλεπίδραση τους με τον πυρήνα ενός ατόμου παρά με το νέφος των ηλεκτρονίων. Αυτό σημαίνει ότι η δυνατότητα των ατόμων να σκεδάζουν τα νετρόνια, η οποία μετρείται με ένα μέγεθος που αποκαλείται ενεργός διατομή στη γλώσσα της φυσικής, δεν συσχετίζεται έντονα με το πλήθος των ηλεκτρονίων τους, αντίθετα από τις ακτίνες X και τα ηλεκτρόνια όπου η σκέδασή τους αυξάνεται αναλογικά προς τον αριθμό των ηλεκτρονίων στο άτομο.

Αυτό έχει τρία πλεονεκτήματα

i. είναι ευκολότερο να αισθανθούν τα ελαφρά άτομα, όπως το υδρογόνο, την παρουσία των νετρονίων, σε σύγκριση με τα βαρύτερα.

ii. μπορούν  να διακριθούν εύκολα τα γειτονικά στοιχεία στον περιοδικό πίνακα, αφού διαφέρουν οι πυρήνες τους.

iii. μπορούν τα ισότοπα του ίδιου στοιχείου, να έχουν ουσιαστική διαφορά στη σκέδαση με τα νετρόνια, και έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ακτινοβολία αυτή, για να ξεχωρίσει τα διαφορετικά ισότοπα των στοιχείων, που αποτελούν ένα υλικό. 

Δέσμες νετρονίων χρησιμοποιούνται στην μέθοδο της νετρονιογραφίας, που εφαρμόζεται στην περίπτωση υλικών με σημαντική τάση σκέδασης των νετρονίων. Τέτοια υλικά είναι οι υδρογονούχες ενώσεις (πολυμερή, εκρηκτικές ύλες κλπ) ή υλικών με αρκετά μεγάλο πάχος που είναι αδιαφανή στις άλλες  ακτινοβολίες. Η δέσμη των νετρονίων αφού διέλθει μέσα από το υλικό ανίχνευτε συνήθως με τη βοήθεια μιας πλάκας καδμίου ή βορίου, στο εσωτερικό της οποίας προκαλεί την εκπομπή φορτισμένων σωματιδίων που αποτυπώνονται σε ένα φιλμ.

Η αλληλεπίδραση ενός νετρονίου με τα νουκλεόνια του πυρήνα ενός ατόμου είναι ασθενική, (αλλά μη αμελητέα) κάνοντας την μέθοδο αυτή να αποτελεί έναν έλεγχο ιδιαίτερα οξύ. Αυτό επιτρέπει την έρευνα του εσωτερικού των υλικών, ενώ αντίθετα  τα επιφανειακά στρώματα των υλικών  εξετάζονται από  τεχνικές όπως η σκέδαση των ακτίνων-X, το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο ή οι οπτικές μέθοδοι. Λόγω της ασθενούς αλληλεπίδρασης που έχουν με την ύλη, δεν την καταστρέφουν, ακόμη και στα πιο σύνθετα και λεπτά βιολογικά ή πολυμερή δείγματα.

Οι ενέργειες των νετρονίων είναι παρόμοιες με τις ενέργειες των ατομικών και ηλεκτρονικών διαδικασιών. Έχουν δηλαδή ενέργεια  σε περιοχές ΅eV, meV έως και eV. Στις κλίμακες αυτές επιτρέπουν τη διάνοιξη κβαντικών σηράγγων, ενεργοποιούν μεταπτώσεις μεταξύ μοριακών σταθμών, περιστροφών, δονήσεων μορίων καθώς επίσης προκαλούν και  τρόπους διέγερσης ταλαντώσεων του πλέγματος. Στην κλίμακα ενεργειών τέλος των eV , μας επιτρέπουν την εξέταση της ηλεκτρονικής δομής των υλικών.
Τα νετρόνια έχουν μήκη κύματος (της τάξης του άνγκστρεμ) παρόμοια με τις ενδοατομικές αποστάσεις, επιτρέποντας να εκτελεσθούν μετρήσεις περίθλασης . Τα πειράματα περίθλασης, κυμαίνονται σε κλίμακα τέτοιων μηκών, ώστε να μπορούν να εξετάσουν άμεσα τη κυματοσυνάρτηση του ατόμου του υδρογόνου έως και να μελετήσουν την ηλεκτρονική δομή μακρομορίων. Η μέθοδος αυτή πλεονεκτεί γιατί τέτοιες μετρήσεις δεν μπορούν να γίνουν με ακτινές-Χ, επειδή τα φωτόνια αυτά αλληλεπιδρούν μόνο με τα περιφερειακά ηλεκτρόνια των ατόμων.
Τέλος, τα νετρόνια είναι σωματίδια με spin 1/2 και επομένως έχουν μια μαγνητική ροπή που μπορεί να τα συνδέσει άμεσα με τις χωρικές και χρονικές παραλλαγές της μαγνήτισης των υλικών σε μια ατομική κλίμακα. Αντίθετα από τις άλλες μορφές της ακτινοβολίας, τα νετρόνια ταιριάζουν ιδανικά στη μελέτη του μικροσκοπικού μαγνητισμού, των μαγνητικών δομών και των βραχέων μηκών κύματος μαγνητικών διακυμάνσεων. Οι ενεργές διατομές για τη μαγνητική σκέδαση και τη σκέδαση από τη χημική δομή είναι ευτυχώς του ίδιου μεγέθους, πράγμα που επιτρέπει την ταυτόχρονη μέτρηση της μαγνητικής και χημικής συμπεριφοράς των υλικών.
Δείτε και τα σχετικά άρθρα
70 χρόνια από την ανακάλυψη του νετρονίου
HomeHome