NEUTRONE
NEUTRONE (XXIV, p. 704; App. I, p. 897; II, 11, p. 404)
Diffrazione dei neutroni. - Generalità. - La diffrazione dei neutroni (v. App. II, 11, p. 662) si presenta come una fra le più interessanti delle tecniche atte a dare informazioni sulla struttura delle sostanze e sulle loro proprietà magnetiche, sul movimento degli atomi nei reticoli cristallini e nei liquidi e su varî fenomeni nucleari. L'entrata in funzione dei reattori nucleari ha messo recentemente a disposizione intensi fasci di neutroni che hanno reso possibili misurazioni quantitative degli effetti di diffrazione, già del resto messi in evidenza nel 1936, con n. policromatici emessi da sorgenti Ra-Be.
Affinché sia possibile mettere in evidenza fenomeni di diffrazione e interferenza da parte di un cristallo, occorre che la lunghezza d'onda della radiazione incidente sia dello stesso ordine di grandezza della distanza fra gli atomi del reticolo, in accordo con la nota legge di Bragg:
ove n è l'ordine della riflessione, d la distanza fra i piani reticolari che riflettono la radiazione e ϑ l'angolo di Bragg (angolo che la direzione della radiazione incidente forma col piano riflettente). Di conseguenza non sono utilizzabili i n. prodotti dalla fissione, i quali hanno una lunghezza d'onda troppo piccola, mentre i n. termici, ottenuti mediante rallentamento da parte del moderatore, possiedono di solito uno spettro d'energia il cui massimo (≃ 0,08 eV) corrisponde a una lunghezza d'onda di circa un ångstrom, cioè proprio dello stesso ordine di grandezza delle distanze interatomiche esistenti nei reticoli cristallini.
L'interazione del neutrone con gli atomi è prevalentamente dovuta al campo di forze del nucleo: poiché il raggio d'azione delle forze nucleari è assai piccolo rispetto alla lunghezza d'onda dei neutroni termici, ne risulta uno scattering nucleare (cioè una diffusione da parte del nucleo) isotropo.
Va a questo punto sottolineata la sostanziale differenza fra il comportamento dei n. e quello dei raggi X. Per questi ultimi lo scattering dagli atomi è dovuto quasi interamente all'interazione con tutti gli elettroni presenti, per cui la sezione d'urto cresce con il numero atomico della sostanza (ciò che non accade per i neutroni). Inoltre, poiché gli elettroni sono distribuiti entro l'atomo a distanze confrontabili con la lunghezza d'onda dei raggi X usati, intervengono degli effetti d'interferenza che riducono l'intensità della radiazione diffusa sotto angoli elevati; lo scattering non è isotropo e l'intensità della radiazione diffusa varia secondo l'andamento di una funzione che prende il nome di fattore di forma o fattore di scattering.
L'interferenza ha luogo fra n. incidenti e n. diffusi per scattering; peraltro non tutto lo scattering concorre all'interferenza, ma soltanto una parte di esso; questa è detta scattering coerente, mentre la parte residua è detta scattering incoerente.
Lo scattering incoerente dei n. è dovuto alle vibrazioni termiche degli atomi nel reticolo, alla presenza di isotopi distribuiti a caso nel reticolo e all'orientazione disordinata degli spin nucleari relativamente agli spin dei n. incidenti.
Le modalità con cui si svolge l'interferenza sono, naturalmente, in relazione con la sezione d'urto dello scattering coerente. Nella tabella a pag. prec. sono riportate le ampiezze di scattering coerente per neutroni (A) e le ampiezze di scattering per raggi X (B) di alcuni elementi e isotopi, in 10-12 cm.
Com'è noto, il n. possiede anche un momento magnetico, per cui si può avere accanto allo scattering nucleare uno scattering magnetico dovuto alla interazione del momento magnetico del n. con l'eventuale momento magnetico degli atomi della sostanza in esame. Poiché il momento magnetico degli atomi proviene in massima parte dai momenti magnetici di spin degli elettroni, tale interazione magnetica avviene in una regione le cui dimensioni sono dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d'onda dei n. incidenti. Di conseguenza, lo scattering non risulterà piú isotropo ma avrà una distribuzione angolare determinata da un fattore di forma magnetico. Inoltre v'è una variazione angolare dell'ampiezza di scattering causata dalla stessa natura dell'interazione magnetica, che è un'interazione fra due dipoli magnetici.
La sezione d'urto differenziale di scattering coerente di un atomo, tenendo conto tanto dello scattering nucleare che di quello magnetico, è:
dove R è un vettore unitario avente la direzione di polarizzazione del n. incidente, b è l'ampiezza di scattering nucleare che si misura sperimentalmente, p è l'ampiezza di scattering magnetico, proporzionale al prodotto del fattore di forma per il momento magnetico dell'atomo, v è il vettore definito dalla relazione:
dove ε è il vettore di scattering e K il vettore di magnetizzazione.
Tecniche sperimentali. - Lo schema di uno spettometro a cristallo per neutroni è indicato nella fig. 1. Il fascio policromatico di n. emergente dal reattore attraverso un apposito canale praticato nello schermo viene fatto incidere su un cristallo singolo che funge da monocromatore. Il fascio sensibilmente monocromatico che così si ottiene passa attraverso un collimatore sistemato nello schermo che circonda il monocromatore per incidere quindi sul campione in esame. I n. diffratti nelle diverse direzioni vengono poi rivelati da un contatore opportunamente girevole. Un altro rivelatore di n. a bassa efficienza viene collocato sul percorso del raggio monocromatico in modo da registrare qualsiasi variazione nell'intensità del fascio di n. che colpisce il campione. Risulta così possibile normalizzare tutti i dati per poterli confrontare fra loro, indipendentemente da eventuali fluttuazioni nel tempo del flusso dei n. provenienti dal reattore. Gli spettrometri più recenti sono a funzionamento completamente automatico, sia per quanto concerne la manovra del contatore, sia per le operazioni di conteggio e di registrazione dei n. diffratti. Nella fig. 2 è riprodotto e illustrato uno spettrometro di questo genere.
Come monocromatori vengono generalmente impiegati cristalli singoli di Pb, Al, Cu, Be, Ge, NaCl e CaCO3. La rivelazione dei n. viene di solito effettuata mediante un contatore a BF3 arricchito nell'isotopo B10.
Le sostanze da esaminare vengono normalmente preparate sotto forma di polveri o di monocristalli. Il primo metodo consente più accurate misure d'intensita, mentre il secondo fornisce una più elevata risoluzione dei picchi di diffrazione.
Applicazioni della diffrazione dei neutroni. - a) Problemi di fisica nucleare. Di notevole importanza è stata la misurazione dell'ampiezza di scattering coerente dell'idrogeno, per mezzo della quale è stato possibile confermare che l'interazione protone-neutrone dipende dall'orientazione relativa degli spin delle due particelle. Sono state poi misurate le ampiezze di scattering di tripletto e di singoletto per lo scattering da protoni, mentre la misurazione delle sezioni d'urto e del segno delle ampiezze di scattering dei varî elementi ha fornito utili informazioni sugli effetti dello scattering di risonanza da parte dei singoli nuclei.
b) Strutturistica chimica. In alcuni problemi di strutturistica la diffrazione di neutroni può essere applicata con maggior profitto della diffrazione dei raggi X, o degli elettroni, semplicemente a causa dei valori più favorevoli delle relative sezioni d'urto. Per es., lo studio di strutture contenenti insieme atomi leggeri e pesanti non risulta agevole con i raggi X perché nell'intensità osservata nei picchi di diffrazione il contributo degli atomi pesanti è così forte che spesso si possono ricavare solo informazioni assai scarse sulla posizione degli atomi leggeri. La diffrazione dei n. ha trovato vaste applicazioni anche nella localizzazione degli atomi di idrogeno e nello studio di transizioni ordine-disordine in leghe metalliche i cui componenti abbiano numeri atomici non molto diversi, e quindi valori assai prossimi dell'ampiezza di scattering da raggi X.
c) Magnetismo. La diffrazione dei n., mettendo a profitto lo scattering magnetico, è in grado di fornire preziose informazioni sull'ordinamento degli spin nelle sostanze ferromagnetiche ed antiferromagnetiche, per le quali le tecniche di misura tradizionali si limitano a fornire informazioni di carattere macroscopico.
Di grande utilità si è rivelato l'uso di n. polarizzati. Se si considera infatti un fascio di neutroni in cui il vettore di polarizzazione R sia parallelo o antiparallelo al vettore di magnetizzazione K, e se inoltre si considera il caso in cui il vettore di scattering ε sia perpendicolare a K, dalla [2] si ottiene:
con il segno + o − a seconda che i n. sono polarizzati parallelamente o antiparallelamente alla magnetizzazione degli atomi della sostanza in esame. Disponendo quindi di n. polarizzati, e misurando l'intensità di un certo picco di Bragg per n. polarizzati prima parallelamente al vettore di magnetizzazione e quindi antiparallelamente, è possibile calcolare dalla [4] l'ampiezza di scattering magnetico per quella particolare riflessione: si evitano così misurazioni assolute d'intensità, che implicano la determinazione sia della costante strumentale dello spettrometro sia dello scattering incoerente, con conseguente aumento dell'errore. I n. polarizzati sono stati sinora impiegati nella misurazione dei momenti magnetici di atomi in leghe ferromagnetiche e dei fattori di forma magnetici degli elementi di transizione. Essi inoltre possono trovare applicazione nello studio delle sostanze antiferromagnetiche e della struttura dei dominî.
Per ottenere un fascio di n. monocromatici e altamente polarizzati, i n. provenienti dal reattore si fanno riflettere dal piano (220) della magnetite (Fe3 O4) o meglio dal piano (111) della lega Co 92% - Fe 8%. Per ambedue le riflessioni citate l'ampiezza di scattering nucleare è in pratica uguale all'ampiezza di scattering magnetico, per cui, come risulta dalla [4], danno luogo a scattering coerente solo i n. polarizzati parallelamente alla direzione di magnetizzazione del monocromatore. Ottenuto un fascio di n. polarizzati è possibile depolarizzarlo per trasmissione attraverso una lamina di materiale avente i dominî magnetici orientati disordinatamente.
Il verso di polarizzazione può invece essere invertito semplicemente mediante l'azione combinata di un campo magnetico costante, di precessione. e di un campo magnetico oscillante con la frequenza di Larmor del neutrone. Si è così realizzata, con una efficienza del 98%, l'inversione dell'orientamento degli spin in un fascio di n. polarizzati al 96%.
d) Studio delle proprietà dinamiche della materia (scattering anelastico). Nello scattering dei n. gli urti anelastici assumono un'importanza assai maggiore che nello scattering dei raggi X. Ciò è dovuto al fatto che mentre per i raggi X di ragionevole potere penetrante l'energia dei fotoni è dell'ordine di 10.000 eV, l'energia dei n. usati negli esperimenti di diffrazione è di circa o, 1 eV, per cui le variazioni di energia dovute alle vibrazioni del reticolo cristallino rappresentano una frazione notevole dell'energia posseduta dal n. incidente. Il trasferimento di energia tra n. e cristallo può essere trattato come quantizzato, e i quanti di energia delle vibrazioni termiche reticolari, chiamati fononi, sono all'incirca dello stesso ordine di grandezza dell'energia dei n. termici. L'interazione dei n. con il cristallo può causare sia l'assorbimento sia l'emissione di uno o più fononi, ma il contributo più importante allo scattering anelastico è dovuto a processi in cui avviene lo scambio di un solo fonone.
Anche lo scattering anelastico viene distinto in coerente e incoerente, proporzionali rispettivamente alla sezione d'urto elastica coerente e incoerente. Lo scattering anelastico coerente può essere molto utile nello studio della dinamica reticolare dei solidi. Infatti, facendo uso delle equazioni di conservazione dell'energia e della quantità di moto è possibile determinare la legge di dispersione dei modi normali di vibrazione del cristallo. La sezione d'urto anelastica incoerente può essere invece espressa in termini di un'opportuna funzione di correlazione spazio-temporale degli atomi della sostanza in esame. È possibile ottenere, ad es., informazioni sul moto degli atomi nei liquidi e sulla distribuzione delle frequenze dei modi normali di vibrazione nei solidi.
Bibl.: G. E. Bacon, Neutron diffraction, Oxford 1955; C. G. Shull e E. O. Wollan, Applications of neutron diffraction to solid state problems, in Solid state physics, vol. II, New York 1956; G. R. Ringo, Neutron diffraction and interference, in Handbuch der physik, vol. XXXII, Berlino-Gottinga-Heidelberg 1957, p. 552.