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A transição mágica de nêutrons rápidos para nêutrons térmicos: como os nêutrons revelam o mundo microscópico da matéria?
O espalhamento de nêutrons é um fenômeno físico importante que envolve o espalhamento irregular de nêutrons livres e matéria. Este processo não só ocorre naturalmente, como também é utilizado numa variedade de técnicas experimentais para explorar as características fundamentais da matéria. Na engenharia nuclear e na ciência, a importância dos fenômenos naturais é evidente como uma aplicação de tecnologia experimental, a compreensão e a manipulação do espalhamento de nêutrons são cruciais para campos como cristalografia, física, físico-química, biofísica e pesquisa de materiais.
O espalhamento de nêutrons tem uma ampla gama de aplicações, especialmente na exploração da estrutura e propriedades dos materiais. Através do espalhamento de nêutrons, os cientistas podem analisar profundamente a microestrutura dos materiais.
Ao conduzir experimentos de dispersão de nêutrons, os pesquisadores usam reatores de pesquisa e fontes de fissão de nêutrons, que fornecem intensidades variadas de radiação de nêutrons. Dependendo de suas necessidades, os pesquisadores podem escolher o espalhamento elástico (difração de nêutrons) para analisar a estrutura do material ou usar o espalhamento inelástico de nêutrons para explorar vibrações atômicas e outros fenômenos interessantes.
Dispersão de nêutrons rápidos
Nêutrons rápidos, definidos como nêutrons com energia cinética superior a 1 MeV, podem se espalhar com materiais fundidos. Nessas colisões, os nêutrons rápidos transferem a maior parte de sua energia cinética para os núcleos de dispersão (isto é, os núcleos atômicos da matéria). A cada colisão, os nêutrons rápidos diminuem a velocidade, eventualmente atingindo um estado de equilíbrio térmico com o material do qual foram espalhados. Para produzir nêutrons térmicos, são frequentemente usados redutores de nêutrons, que produzem nêutrons térmicos com energia cinética inferior a 1 eV.
Ao regular a dispersão de nêutrons rápidos, podemos revelar a estrutura e o comportamento de muitas substâncias no nível microscópico.
Interação nêutron-matéria
Como os nêutrons são eletricamente neutros, eles podem penetrar mais profundamente na matéria, o que lhes confere maiores vantagens como detectores do que partículas carregadas com a mesma energia cinética. Os nêutrons interagem principalmente com o campo magnético gerado por núcleos atômicos e elétrons desemparelhados, o que lhes permite causar interferência significativa e efeitos de transferência de energia em experimentos de espalhamento de nêutrons.
Existem diferenças significativas nas seções transversais de dispersão e absorção de nêutrons entre diferentes isótopos, com o hidrogênio tendo a seção transversal de dispersão mais alta, o que torna os nêutrons úteis na análise de materiais de baixo número atômico, especialmente proteínas e surfactantes.
Espalhamento inelástico de nêutrons
O espalhamento inelástico de nêutrons é uma importante técnica experimental amplamente utilizada na pesquisa de matéria condensada para explorar o movimento de átomos e moléculas e a excitação do magnetismo e dos campos cristalinos. Esta técnica faz distinções com base na mudança na energia cinética após os nêutrons colidirem com a amostra, e os resultados são geralmente expressos em termos de fatores de estrutura dinâmica.
O espalhamento inelástico de nêutrons nos permite observar o comportamento dinâmico da matéria sob uma nova luz, desfazendo as limitações da espectroscopia tradicional.
História e facilidades do espalhamento de nêutrons
Os primeiros experimentos de difração de nêutrons datam da década de 1930, mas com o advento dos reatores nucleares em 1945, a acessibilidade a altos fluxos de nêutrons tornou possíveis estudos estruturais aprofundados. Com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, os pesquisadores instalaram os primeiros instrumentos de dispersão de nêutrons nos tubos de feixe de reatores de pesquisa multiuso. Na década de 1960, a construção de reatores de alto fluxo permitiu que os praticantes de experimentos de feixe obtivessem instrumentos de dispersão de nêutrons mais elevados. -fluxo.
Atualmente, a maioria dos experimentos de dispersão de nêutrons são conduzidos por cientistas pesquisadores que solicitam o tempo de feixe de fontes de nêutrons por meio de um processo de proposta formal. Como os experimentos de dispersão de nêutrons envolvem baixas taxas de contagem, normalmente são necessários tempos de feixe relativamente longos (da ordem de dias) para obter conjuntos de dados utilizáveis.
Evolução da tecnologia
Com o aprofundamento da pesquisa, muitas tecnologias de espalhamento de nêutrons continuaram a evoluir, incluindo difração de nêutrons, espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo, eco de spin e reflexão não-herói. Essas tecnologias ajudam os cientistas a obter dados mais precisos para analisar as propriedades microscópicas de. estrutura da matéria.
Com o desenvolvimento da tecnologia de dispersão de nêutrons, podemos desvendar o mistério do mundo microscópico da matéria. No entanto, os princípios por trás da tecnologia ainda fazem as pessoas pensarem profundamente: Que novas tecnologias podem surgir no futuro e que podemos usar para explorar profundamente os mistérios deste mundo microscópico?
