Nobelova cena za rozptyl neutronů

Za fyziku byla roku 1994 udělena Nobelova cena již postarším profesorům: Kanaďanu B. N. Brockhousovi (76 let) za vývoj neutronové spektroskopie a Američanu C. G. Shullovi (79 let) za vývoj techniky neutronové difrakce. V obou případech jde o využití rozptylu neutronů ke studiu kondenzovaných systémů. Práce, za kterou byli oba laureáti vyznamenáni, byla vykonána již v padesátých letech a myšlenky (jiných autorů) jak využít rozptyl neutronů ke zkoumání krystalů jsou ještě zhruba o 10 let starší.

Co rozptyl neutronů je a k čemu slouží

Dopadne-li určitou rychlostí a určitým směrem letící neutron na krystal, projde jím a rozptýlí se do jiného směru. Jestliže se při tom jeho rychlost nezmění, hovoříme o pružném (elastickém) rozptylu - difrakci, změní-li se jeho rychlost a tím i jeho kinetická energie úměrná v², pak jde o nepružný (neelastický) rozptyl elektronu, který je podstatou neutronové spektroskopie. Známe-li směr šíření a energii neutronu před rozptylem a po rozptylu, můžeme z pružného rozptylu určit strukturu krystalu (střední polohu atomů) a z nepružného rozptylu můžeme zjistit, jak atomy kolem těchto poloh kmitají.

Připomeňme si, že atomy jsou v krystalu rozmístěny v uzlech pravidelně se opakující krystalové mřížky. Struktura krystalů se běžně určuje difrakcí (tj. pružným rozptylem) rentgenového záření. Rentgenové vlny dopadající na krystal se odrážejí od pravidelně uspořádaných rovnoběžných atomových rovin a při splnění určitých podmínek (Braggův zákon) se skládají v rozptýlenou vlnu šířící se určitým směrem. Změna směru záleží na orientaci atomových rovin vůči dopadajícím paprskům a, zhruba řečeno, díky tomu z ní můžeme nakonec stanovit strukturu krystalu. Rentgenové záření je rozptylováno elektronovými obaly atomů, což je spojeno se dvěma zásadními problémy při určování struktury: záření proniká jen do malé hloubky krystalu několika setin milimetru, takže nám umožňuje určit vlastně jen povrchovou strukturu. Nelze jím ani zjistit polohy lehkých atomů, zejména vodíku, které mají málo elektronů. Rozptyl neutronů těmito nedostatky netrpí. Neutron má současně částicové i vlnové vlastnosti a jeho pružný rozptyl na krystalu si proto můžeme představovat stejně jako rozptyl rentgenových vln. Neutron nemá elektrický náboj, a proto snadno proniká i do hloubky krystalu, a jelikož je rozptylován samotnými jádry atomu, vidí i lehké atomy.

Atomy v krystalové mřížce kmitají nikoli nezávisle na sobě, ale společně. Teoretici popisují kmity jako rovinné vlny, které se šíří krystalem podobně jako vlny na vodě. Každá vlna - kmit mřížky, má svůj směr šíření, vlnovou délku a frekvenci. Kmity mřížky (jejich kvanta se nazývají fonony) se šíří všemi možnými směry a mají vlnové délky od nejkratší, rovné vzdálenosti mezi nejbližšími atomy až po velmi dlouhé, které přísluší mimo jiné i dobře známým zvukovým vlnám. Neutron, který prolétne krystalem, může mřížce předat část své energie (rozkmitat mřížku). Dochází i k opačnému ději, kdy naopak kmitající mřížka předá část své energie neutronu, který pak vyletí z krystalu větší rychlostí, než do ní vletěl. Ze změny energie a směru šíření rozptýlených neutronů lze určit celé spektrum kmitů mřížky, tj. jejich směr šíření, vlnovou délku a frekvenci. Aby dopadající vlna vůbec mohla rozlišit atomovou strukturu krystalu, musí být její vlnová délka srovnatelná anebo kratší, než je vzdálenost mezi nejbližšími atomy, tj. řádově 1 nm. Frekvence rentgenového záření, která odpovídá takové vlnové délce, je o několik řádů vyšší než typická frekvence kmitů mřížky (10¹³ c/sec). Z relativně velmi malé změny frekvence rozptýlené vlny prakticky proto nelze stanovit frekvenci kmitů mřížky. Na druhé straně však neutronu s vhodnou vlnovou délkou odpovídá frekvence právě srovnatelná s frekvencemi kmitů mřížky. Neutrony jsou tedy ideální sondou nejen struktury krystalové mřížky, ale i její dynamiky.

Znalost struktury usnadňuje pochopení mnoha fyzikálních vlastností látek, z čehož vyplývá neobyčejný význam metodiky pružného rozptylu neutronů. Je neocenitelná zejména při zjišťování struktury látek bohatých na vodík, např. organických sloučenin. Podrobná znalost kmitů mřížky je nezbytná pro porozumění mechanizmům tepelné a elektrické vodivosti, supravodivosti, strukturních fázových přechodů a mnoha dalších jevů. Zásluhou pionýrských prací B. N. Brockhouse máme k dispozici podrobné atlasy spekter kmitů mřížky stovek různých druhů látek. Zásluhou C. G. Shulla je dnes rutinní záležitostí určovat krystalovou a i magnetickou strukturu kondenzovaných systémů rozptylem neutronů.

Rozptylem neutronů je také možné zkoumat i magnetické uspořádání a jeho dynamiku. Existují látky (zejména kovy), jejichž atomy nesou magnetické dipólové momenty (analogie střelky kompasu) složené z vnitřních magnetických dipólů (spinů elektronů) a které jsou určitým způsobem uspořádány. I neutron má svůj spin, a i když je asi tisíckrát menší než spin elektronu, interaguje s magnetickými dipóly atomů. Pružným rozptylem neutronů můžeme tedy určit i magnetickou strukturu látky, totiž zda jsou všechny dipóly rovnoběžné (v látkách feromagnetických), či zda jsou sousední dipóly orientovány opačně (v látkách antiferomagnetických), anebo zda je magnetické uspořádání ještě složitější. Magnetické dipóly nejsou zcela pevně orientovány, mohou se překlápět a tento rozruch se šíří magnetickou mřížkou v podobě spinových vln analogických kmitům mřížky. Z nepružného magnetického rozptylu neutronů lze získat základní charakteristiky spinových vln. Rozptyl neutronů hraje velmi významnou úlohu pro pochopení magnetických vlastností látek.

Technika rozptylového experimentu

Především je třeba mít dostatečně silný zdroj neutronů. Jsou jím atomové reaktory, které se pro tyto čistě vědecké účely začaly v šedesátých letech konstruovat v mnoha zemích (Kanada, USA, Francie, Německo, Rusko, Japonsko). V reaktoru dochází k rozpadu radioaktivních atomů, při kterém se uvolňují neutrony. Jako palivo se používá např. izotop uranu 235. Při rozpadu U²³⁵ vylétají z jádra reaktoru velkou rychlostí tzv. horké neutrony, které je třeba nejprve v moderátoru (např. těžké vodě) zbrzdit tak, aby získaly vhodnou vlnovou délku pro rozptyl. Energie neutronů vyletujících z moderátoru je určena jeho teplotou; při pokojové teplotě mají tzv. tepelné neutrony rychlost asi 1 km/sec a odpovídá jim vlnová délka asi 0,1 nm. Nejvýkonnější zařízení tohoto druhu je v současné době v mezinárodním ústavu Laueho-Langevina v Grenoblu, které poskytuje svazky o intenzitě řádově 10¹⁴ neutronu na cm² za sekundu.

K získání spolehlivých informací o zkoumaném objektu musíme znát co nejpřesněji směr šíření a energii neutronů před a po rozptylu. B. Brockhouse za tím účelem zkonstruoval tzv. tříosý spektrometr. Svazek neutronů nejprve dopadá na krystalový monochromátor (používá se např. hliník, germanium, křemík, grafit), který vybere ze svazku neutrony jen určité vlnové délky, čili rychlosti. Monochromatický svazek dopadá v určitém směru (1. osa) na krystal, rozptýlí se a ve zvoleném směru (2. osa) je na krystalovém analyzátoru difrakcí do určitého směru (3. osa) zjišťována rychlost neutronů po rozptylu. Natáčením os se mění vzájemná poloha objektu a dopadajících neutronů, energie rozptýlených neutronů se měří v různých směrech a tímto způsobem lze změřit vlnovou délku a frekvenci kmitů mřížky šířících se v libovolném směru. Natáčení os je řízeno počítačem a celé zařízení má rozměry několik metrů. Je umístěno u některého z neutronových kanálů vycházejících z reaktoru. Kolem reaktoru, který bývá umístěn v hale o průměru několika desítek metrů, obvykle probíhá celá řada různých experimentů současně. V porovnání s difrakcí rentgenového záření (z klasických zdrojů), je pořizovací cena experimentálních zařízení pro rozptyl neutronů neskonale vyšší. Vědecké výsledky, které tato metodika stále přináší, však nesporně stojí za to. Každé čtyři roky se pořádají sympozia za účasti stovek vědců. Jejich zájem se postupně přesouval od anorganických krystalů ke zkoumání struktury a dynamiky složitějších systémů, jako jsou molekulární krystaly, polymery, skla, makromolekuly, kapaliny.