Language
Country/Area
No result found
Vũ điệu kỳ diệu của nơtron và nguyên tử: Tại sao nơtron có thể đi qua vật chất?
Sự tán xạ neutron là một hiện tượng vật lý thú vị liên quan đến sự tán xạ bất thường của các neutron tự do với vật chất. Đây không chỉ là một quá trình vật lý xảy ra trong tự nhiên mà còn là một kỹ thuật thực nghiệm mà các nhà khoa học sử dụng để nghiên cứu vật liệu. Bản chất không mang điện tích của neutron cho phép chúng thâm nhập sâu vào vật chất, thăm dò cấu trúc bên trong vật chất hiệu quả hơn. Các quá trình tán xạ neutron tự nhiên rất được khoa học và kỹ thuật hạt nhân quan tâm, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong nhiều nghiên cứu vật liệu.
Công nghệ tán xạ neutron đã trở thành một công cụ không thể thiếu trong các lĩnh vực như tinh thể học, vật lý và sinh lý học.
Cơ sở của các thí nghiệm nằm ở việc hiểu và điều khiển sự tán xạ neutron, đòi hỏi phải sử dụng nhiều nguồn neutron khác nhau, chẳng hạn như lò phản ứng nghiên cứu và nguồn neutron nổ. Các nguồn này có khả năng cung cấp bức xạ neutron với cường độ khác nhau cho mục đích nghiên cứu. Khúc xạ neutron (tán xạ đàn hồi) cho phép các nhà khoa học phân tích cấu trúc vật liệu, trong khi tán xạ neutron không đàn hồi được sử dụng để nghiên cứu độ rung và các trạng thái kích thích khác của nguyên tử.
Tán xạ neutron nhanh
Cái gọi là "nơtron nhanh" có động năng trên 1 MeV. Các neutron này có thể bị phân tán bởi vật chất ngưng tụ và đây là một phép tính gần đúng thực nghiệm hợp lệ, có thể được coi là một va chạm đàn hồi. Trong mỗi vụ va chạm, neutron nhanh truyền một phần đáng kể động năng của nó cho hạt nhân phân tán, quá trình truyền năng lượng này tùy thuộc vào loại hạt nhân. Khi nhiều vụ va chạm xảy ra, các neutron nhanh dần chậm lại và cuối cùng đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt với vật chất. Hiện tượng này đòi hỏi sự hỗ trợ của chất làm chậm neutron để tạo ra neutron nhiệt dưới 1 eV.
Tương tác của neutron với vật chất
Vì neutron không mang điện tích nên chúng có thể xuyên sâu hơn vào vật chất so với các hạt tích điện có cùng động năng, khiến chúng trở thành công cụ mạnh mẽ để thăm dò các tính chất của vật chất. Nơtron chủ yếu tương tác với hạt nhân nguyên tử, không giống như tia X, chủ yếu tương tác với đám mây electron xung quanh. Ví dụ, hydro có tiết diện tán xạ cao nhất trong tất cả các đồng vị, khiến neutron đặc biệt hiệu quả trong việc phân tích các vật liệu có số nguyên tử thấp như protein và chất hoạt động bề mặt.
Mặt cắt ngang của sự tán xạ và hấp thụ neutron thay đổi tùy theo đồng vị và sự tán xạ có thể không liên kết hoặc liên kết, tùy thuộc vào đồng vị được sử dụng.
Sự tán xạ neutron không đàn hồi
Tán xạ neutron không đàn hồi là một kỹ thuật thực nghiệm thường được sử dụng trong nghiên cứu vật chất ngưng tụ để nghiên cứu chuyển động của nguyên tử và phân tử cũng như sự kích thích từ trường và tinh thể. Kỹ thuật này tính đến những thay đổi về động năng xảy ra trong quá trình va chạm giữa neutron và mẫu, và kết quả thường được báo cáo theo các yếu tố cấu trúc động. Trong các thí nghiệm như vậy, hầu hết các phép đo sẽ tập trung vào loại tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi, tùy thuộc vào nhu cầu của câu hỏi nghiên cứu.
Lịch sử và Công nghệ hiện tại
Các thí nghiệm nhiễu xạ neutron đầu tiên được thực hiện vào những năm 1930, và với sự ra đời của lò phản ứng hạt nhân vào năm 1945, công nghệ tạo ra thông lượng neutron cao đã trở nên khả thi. Lĩnh vực này phát triển nhanh chóng với việc xây dựng các lò phản ứng nghiên cứu đa năng vào những năm 1960. Đến những năm 1980, nghiên cứu dựa trên các nguồn thông lượng cao đã giúp công nghệ tán xạ neutron trở nên hoàn thiện hơn và được sử dụng rộng rãi trong nhiều nghiên cứu vật liệu khác nhau.
Cơ sở và công nghệ thí nghiệm tán xạ neutron hiện tại
Hầu hết các thí nghiệm tán xạ neutron hiện tại đều được các nhà khoa học tiến hành bằng cách áp dụng thời gian thử nghiệm tại các nguồn neutron thông qua một quy trình đề xuất chính thức. Tỷ lệ phục hồi thử nghiệm tương đối thấp, vì vậy thường mất vài ngày thời gian thử nghiệm để có được một tập dữ liệu có thể sử dụng được. Nhiều kỹ thuật tán xạ neutron khác nhau, chẳng hạn như tán xạ neutron góc nhỏ, phản xạ, tán xạ neutron không đàn hồi, v.v., đang được sử dụng trong nghiên cứu trên toàn thế giới.
Làm thế nào chúng ta có thể tận dụng tối đa lợi thế của neutron trong quá trình phát triển các công nghệ tương lai để thúc đẩy nghiên cứu liên quan trong khoa học vật liệu?
Những nghiên cứu này không chỉ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về bản chất của vật chất mà còn truyền cảm hứng cho những khả năng vô tận về hiệu suất của vật liệu. Việc khám phá sự tương tác giữa neutron và vật chất sẽ có tác động như thế nào đến sự phát triển của khoa học và công nghệ?
