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La milagrosa transformación de neutrones rápidos en neutrones térmicos: ¿cómo revelan los neutrones el mundo microscópico de la materia?
La dispersión de neutrones es un fenómeno físico importante que implica la dispersión irregular de neutrones libres y materia. Este proceso no sólo ocurre de forma natural, sino que también se utiliza en una variedad de técnicas experimentales para explorar las características fundamentales de la materia. En la ingeniería y la ciencia nucleares, la importancia de los fenómenos naturales es evidente; como aplicación de la tecnología experimental, comprender y manipular la dispersión de neutrones es crucial para campos como la cristalografía, la física, la química física, la biofísica y la investigación de materiales.
La dispersión de neutrones tiene una amplia gama de aplicaciones, especialmente cuando se explora la estructura y propiedades de los materiales. Mediante la dispersión de neutrones, los científicos pueden analizar en profundidad la microestructura de los materiales.
Al realizar experimentos de dispersión de neutrones, los investigadores utilizan reactores de investigación y fuentes de neutrones de fisión, que proporcionan intensidades variables de radiación de neutrones. Dependiendo de sus necesidades, los investigadores pueden elegir la dispersión elástica (difracción de neutrones) para analizar la estructura del material, o utilizar la dispersión de neutrones inelástica para explorar las vibraciones atómicas y otros fenómenos interesantes.
Dispersión de neutrones rápidos
Los neutrones rápidos, definidos como neutrones con energía cinética superior a 1 MeV, pueden dispersarse con materiales fundidos. En tales colisiones, los neutrones rápidos transfieren la mayor parte de su energía cinética a los núcleos en dispersión (es decir, los núcleos atómicos de la materia). Con cada colisión, los neutrones rápidos disminuyen su velocidad y finalmente alcanzan un estado de equilibrio térmico con el material del que se dispersaron. Para producir neutrones térmicos se utilizan a menudo reductores de neutrones, que producen neutrones térmicos con una energía cinética inferior a 1 eV.
Al regular la dispersión de neutrones rápidos, podemos revelar la estructura y el comportamiento de muchas sustancias a nivel microscópico.
Interacción neutrones-materia
Debido a que los neutrones son eléctricamente neutros, pueden penetrar la materia más profundamente, lo que les otorga mayores ventajas como detectores que las partículas cargadas de la misma energía cinética. Los neutrones interactúan principalmente con el campo magnético generado por los núcleos atómicos y los electrones desapareados, lo que les permite causar importantes efectos de interferencia y transferencia de energía en experimentos de dispersión de neutrones.
Existen diferencias significativas en las secciones transversales de dispersión y absorción de neutrones entre diferentes isótopos, siendo el hidrógeno el que tiene la sección transversal de dispersión más alta, lo que hace que los neutrones sean útiles para analizar materiales con números atómicos bajos, especialmente proteínas y tensioactivos.
Dispersión inelástica de neutrones
La dispersión inelástica de neutrones es una técnica experimental importante que se utiliza ampliamente en la investigación de la materia condensada para explorar el movimiento de átomos y moléculas y la excitación del magnetismo y los campos cristalinos. Esta técnica hace distinciones basadas en el cambio en la energía cinética después de que los neutrones chocan con la muestra, y los resultados generalmente se expresan en términos de factores de estructura dinámica.
La dispersión inelástica de neutrones nos permite observar el comportamiento dinámico de la materia desde una nueva perspectiva, liberando las limitaciones de la espectroscopia tradicional.
Historia e instalaciones de la dispersión de neutrones
Los primeros experimentos de difracción de neutrones se remontan a la década de 1930, pero con la llegada de los reactores nucleares en 1945, la accesibilidad a altos flujos de neutrones hizo posible estudios estructurales en profundidad. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, los investigadores instalaron los primeros instrumentos de dispersión de neutrones en los tubos de haz de los reactores de investigación multipropósito. En la década de 1960, la construcción de reactores de alto flujo permitió a los practicantes de experimentos con haces obtener instrumentos de mayor dispersión de neutrones. -flujo.
Actualmente, la mayoría de los experimentos de dispersión de neutrones son realizados por científicos investigadores que solicitan tiempo de haz de fuentes de neutrones a través de un proceso de propuesta formal. Debido a que los experimentos de dispersión de neutrones implican tasas de conteo bajas, generalmente se requieren tiempos de haz relativamente largos (del orden de días) para obtener conjuntos de datos utilizables.
Evolución de la tecnología
Con la profundización de la investigación, muchas tecnologías de dispersión de neutrones han seguido evolucionando, incluida la difracción de neutrones, la dispersión de neutrones de ángulo pequeño, el eco de espín y la reflexión sin héroe. Estas tecnologías ayudan a los científicos a obtener datos más precisos para analizar las propiedades microscópicas. materia.
Con el desarrollo de la tecnología de dispersión de neutrones, podemos desvelar el misterio del mundo microscópico de la materia. Sin embargo, los principios detrás de la tecnología todavía hacen que la gente piense profundamente: ¿Qué nuevas tecnologías pueden aparecer en el futuro que podamos utilizar para explorar profundamente los misterios de este mundo microscópico?
