Большая Советская Энциклопедия (НЕ)

  Успешное использование Н. обусловлено удачным сочетанием свойств нейтрона как элементарной частицы. Современные источники нейтронов — ядерные реакторы — дают тепловые нейтроны широкого диапазона энергий с максимумом в области 0,06 эв. Соответствующая этой энергии де-бройлевская длина волны нейтронов (~ 1 ) соизмерима с величиной межатомных расстояний в молекулах и кристаллах, что делает возможным осуществление дифракции нейтронов в кристаллах; на этом основан метод структурной нейтронографии. Соизмеримость энергии тепловых нейтронов с энергией тепловых колебаний атомов и молекулярных групп в кристаллах и жидкостях обеспечивает оптимальное использование неупругого рассеяния нейтронов в нейтронной спектроскопии. Наличие у нейтрона магнитного момента, который может взаимодействовать с магнитными моментами атомов в кристаллах, позволяет осуществить магнитную дифракцию нейтронов на магнитоупорядоченных кристаллах, что является основой магнитной нейтронографии.

  Структурная нейтронография — один из основных современных методов структурного анализа кристаллов (вместе с рентгеновским структурным анализом и электронографией ). Геометрическая теория дифракции всех трёх излучений — рентгеновских лучей, электронов, нейтронов — одинакова, но физическая природа взаимодействия их с веществом различна, что определяет специфику и области применения каждого из методов. Рентгеновские лучи рассеиваются электронными оболочками атомов, нейтроны (через короткодействующие ядерные силы) — атомными ядрами, электроны — электрическим потенциалом атомов. Вследствие этого структурная Н. имеет ряд особенностей. Рассеивающая способность атомов характеризуется атомной амплитудой рассеяния f . Особый характер взаимодействия нейтронов с ядрами приводит к тому, что атомная амплитуда рассеяния нейтронов f _н (обычно её обозначают буквой b ) для различных элементов (в отличие от f рентгеновских лучей) несистематическим образом зависит от порядкового номера Z элемента в периодической системе. В частности, рассеивающие способности лёгких и тяжёлых элементов оказываются одного порядка. Поэтому изучение атомной структуры соединений лёгких элементов с тяжёлыми является специфической областью структурной Н. Прежде всего это относится к соединениям, содержащим легчайший элемент — водород. Рентгенографически и электронографически в некоторых благоприятных случаях удаётся определить положение атомов водорода в кристаллах его соединений с др. лёгкими атомами (с Z £ 30). Нейтронографически определение положения атомов водорода не сложнее, чем большинства др. элементов, причём существенная методическая выгода достигается заменой в изучаемой молекуле атомов водорода на его изотоп — дейтерий. С помощью Н. определена структура большого числа органических соединений, гидридов и кристаллогидратов, уточнена структура различных модификаций льда, водородсодержащих сегнетоэлектриков и т.д., что дало ряд новых данных для развития кристаллохимии водорода.

  Др. область оптимального использования Н. — исследование соединений элементов с близкими Z (для рентгеновских лучей такие элементы практически неразличимы, так как их электронные оболочки содержат почти одинаковые числа электронов), например соединений типа шпинели MnFe₂ O₄ , сплавов Fe—Co—Ni и др. Предельный случай — исследование соединений разных изотопов данного элемента, которые рентгенографически абсолютно неразличимы, а для нейтронов различаются так же, как разные элементы.

  В структурной Н. из эксперимента находят интенсивности максимумов когерентного рассеяния l (hkl ) (где h, k, I — кристаллографические индексы Миллера), связанные со структурными амплитудами F (hkl ) определёнными соотношениями (см. Рентгеновский структурный анализ ). Далее с помощью рядов Фурье, коэффициенты которых являются величины F (hkl ), строится функция ядерной плотности r(x , у, z ). Суммирование рядов (как и большинство др. вычислений в структурном анализе) осуществляется на быстродействующих ЭВМ по специальным программам. Максимумы функции r(x , у, z ) соответствуют положениям ядер атомов.

  Для примера на рис. 2, а приведена проекция ядерной плотности части элементарной ячейки кобальтпроизводного витамина B₁₂ ; на этой проекции центральный атом ядра молекулы — атом кобальта — имеет минимальное значение b (является самым «лёгким») по сравнению с остальными атомами (азота, углерода, кислорода и даже водорода), вследствие чего оказывается возможной более точная локализация всех атомов. На рис. 2, б приведена ядерная плотность в концевой метильной группе CH₃ ; атомы водорода четко выявляются на рис . в виде минимумов, что связано с отрицательным значением b для протонов.