تشتت النيوترونات

تشتت النيوترونات ، وهو الانتشار غير المنتظم للنيوترونات الحرة بواسطة المادة، يشير إما إلى العملية الفيزيائية الطبيعية نفسها أو إلى التقنيات التجريبية التي يستخدمها الإنسان لدراسة المواد. وتُعد هذه الظاهرة الطبيعية/الفيزيائية ذات أهمية بالغة في الهندسة النووية والعلوم النووية. أما فيما يتعلق بالتقنية التجريبية، فإن فهم تشتت النيوترونات والتحكم فيه أمر أساسي للتطبيقات المستخدمة في علم البلورات ، والفيزياء ، والكيمياء الفيزيائية ، والفيزياء الحيوية ، وبحوث المواد .

يُستخدم تشتت النيوترونات في مفاعلات الأبحاث ومصادر النيوترونات الناتجة عن التفتت النووي، والتي توفر إشعاعًا نيوترونيًا بكثافات متفاوتة . وتُستخدم تقنيات حيود النيوترونات ( التشتت المرن ) لتحليل البنى، بينما يُستخدم تشتت النيوترونات غير المرن في دراسة الاهتزازات الذرية والإثارات الأخرى .

تتمتع النيوترونات السريعة بطاقة حركية تزيد عن 1 ميغا إلكترون فولت . ويمكن تشتيتها بواسطة المادة المكثفة - وهي نوى ذات طاقات حركية أقل بكثير من 1 إلكترون فولت - كتقريب تجريبي صحيح للتصادم المرن مع جسيم ساكن. مع كل تصادم، ينقل النيوترون السريع جزءًا كبيرًا من طاقته الحركية إلى النواة المشتتة (المادة المكثفة)، ويزداد هذا الجزء كلما كانت النواة أخف وزنًا. ومع كل تصادم، يتباطأ النيوترون السريع حتى يصل إلى حالة التوازن الحراري مع المادة التي يتشتت فيها.  

تُستخدم مُعدِّلات النيوترونات لإنتاج النيوترونات الحرارية ، التي تمتلك طاقات حركية أقل من 1  إلكترون فولت (درجة حرارة أقل من 500 كلفن). ^{[ 1 ]} تُستخدم النيوترونات الحرارية للحفاظ على التفاعل النووي المتسلسل في المفاعل النووي ، وكأداة بحثية في تجارب تشتت النيوترونات وتطبيقات أخرى لعلم النيوترونات . ويركز الجزء المتبقي من هذه المقالة على تشتت النيوترونات الحرارية.

لأن النيوترونات متعادلة كهربائياً، فإنها تخترق المادة بشكل أعمق من الجسيمات المشحونة كهربائياً ذات الطاقة الحركية المماثلة، وبالتالي فهي ذات قيمة كأدوات لاستكشاف الخصائص الكلية مقارنة بالطرق التي تستخدم حزم الجسيمات المشحونة، مثل المجهر الإلكتروني .

على عكس فوتون الأشعة السينية ذي الطول الموجي المماثل، والذي يتفاعل مع السحابة الإلكترونية المحيطة بالنواة عبر الاقتران الكهرومغناطيسي، تتفاعل النيوترونات بشكل أساسي مع النواة نفسها، نظرًا لأن شحنتها الكهربائية الصافية تساوي صفرًا. ويُوصَف تفاعل النيوترون مع النواة بواسطة جهد فيرمي الزائف .

يمتلك النيوترون عزمًا مغناطيسيًا كبيرًا ، وإن كان لا يتجاوز 0.1% من عزم الإلكترون . ومع ذلك، فهو كبير بما يكفي للتشتت بفعل المجالات المغناطيسية المحلية داخل المادة المكثفة، مما يوفر أداة ضعيفة التفاعل، وبالتالي نافذة، لدراسة البنى المغناطيسية المنتظمة وتقلبات دوران الإلكترون. ولأن الإلكترون المفرد يمتلك عزمًا مغناطيسيًا، على عكس الإلكترون المزدوج، فإن النيوترونات تتشتت بفعل الإلكترونات المفردة عبر تفاعل ثنائي القطب المغناطيسي ، مما يسمح بقياسها بشكل انتقائي. ^{[ 2 ]} وهذا يختلف عن الأشعة السينية، التي تتشتت بفعل الإلكترونات عمومًا.

	درجة حرارة،${\displaystyle T}$(ك)	طاقة${\displaystyle E=k_{\mathrm {B} }T}$(ملي إلكترون فولت)	الطول الموجي،${\displaystyle \lambda }$، (Å)
بارد	1–120	0.1–10	4-30
حراري	60–1000	5–100	1-4
حار	1000–6000	100–500	0.4–1

تتميز النيوترونات الحرارية بطول موجي قريب من المسافة بين الذرات في المواد الصلبة النموذجية، وطاقة قريبة من طاقة الاهتزازات الأولية في هذه المواد. وهذا ما يسمح باستخدام تقنية تشتت النيوترونات الحرارية لقياس بنية المواد الصلبة وديناميكيتها في آن واحد.

تختلف مقاطع التشتت والامتصاص للنيوترونات اختلافًا كبيرًا من نظير إلى آخر. وقد يكون تشتت النيوترونات غير متماسك أو متماسك، وذلك أيضًا تبعًا للنظير. وهذا ما يسمح بقياس التباين النظائري داخل العينة باستخدام تشتت النيوترونات. ومن بين جميع النظائر، يمتلك الهيدروجين أعلى مقطع تشتت. وتظهر عناصر مهمة مثل الكربون والأكسجين بوضوح في تشتت النيوترونات، وهذا على النقيض تمامًا من تشتت الأشعة السينية حيث تزداد مقاطع التشتت بشكل منتظم مع العدد الذري. وبالتالي، يمكن استخدام النيوترونات لتحليل المواد ذات الأعداد الذرية المنخفضة، بما في ذلك البروتينات والمواد الفعالة سطحيًا. ويمكن إجراء ذلك في مصادر السنكروترون، ولكن يتطلب ذلك شدة عالية جدًا، مما قد يؤدي إلى تغيير البنية. وتوفر النواة مدى قصيرًا جدًا، حيث يختلف الجهد المتساوي الخواص عشوائيًا من نظير إلى آخر، مما يتيح ضبط تباين التشتت بما يتناسب مع التجربة.

يُظهر التشتت عادةً مكونات مرنة وغير مرنة. وتُحدد نسبة التشتت المرن بواسطة عامل ديباي-والر أو عامل موسباور-لامب . وبحسب سؤال البحث، تركز معظم القياسات إما على التشتت المرن أو غير المرن.

يُعدّ تحقيق سرعة دقيقة، أي طاقة دقيقة وطول موجة دي برولي دقيق ، لحزمة النيوترونات أمرًا بالغ الأهمية. تُسمى هذه الحزم أحادية الطاقة "أحادية اللون"، ويتم تحقيق أحادية اللون إما باستخدام مُوحِّد اللون البلوري أو باستخدام مطياف زمن الطيران (TOF) . في تقنية زمن الطيران، تُمرَّر النيوترونات عبر سلسلة من شقين دوّارين بحيث يتم اختيار النيوترونات ذات سرعة مُحدَّدة فقط. وقد طُوِّرت مصادر التفتت النووي التي يُمكنها توليد نبضة سريعة من النيوترونات. تحتوي هذه النبضة على نيوترونات ذات سرعات أو أطوال موجات دي برولي مُختلفة، ولكن يُمكن تحديد السرعات المُنفصلة للنيوترونات المُشتَّتة لاحقًا عن طريق قياس زمن طيران النيوترونات بين العينة وكاشف النيوترونات.

يُعدّ تشتت النيوترونات غير المرن تقنية تجريبية شائعة الاستخدام في أبحاث المادة المكثفة لدراسة حركة الذرات والجزيئات، بالإضافة إلى إثارات المجال المغناطيسي والبلوري. ^{[ 3 ] [ 4 ]} وتتميز هذه التقنية عن غيرها من تقنيات تشتت النيوترونات بقدرتها على رصد التغير في الطاقة الحركية الذي يحدث عند تصادم النيوترونات بالعينة بطريقة غير مرنة. وتُعرض النتائج عادةً على شكل عامل البنية الديناميكية (المعروف أيضًا بقانون التشتت غير المرن).${\displaystyle S(\mathbf {Q} ,\omega )}$وأحيانًا أيضًا باسم القابلية الديناميكية${\displaystyle \chi ^{\prime \prime }(\mathbf {Q} ,\omega )}$حيث متجه التشتت${\displaystyle \mathbf {Q} }$هو الفرق بين متجه الموجة الداخلة ومتجه الموجة الخارجة ، و${\displaystyle \hbar \omega }$يمثل التغير في الطاقة الذي تتعرض له العينة (وهو سالب التغير في طاقة النيوترون المتشتت). عند رسم النتائج كدالة لـ${\displaystyle \omega }$ويمكن تفسيرها في كثير من الأحيان بنفس طريقة تفسير الأطياف التي يتم الحصول عليها بتقنيات التحليل الطيفي التقليدية ؛ إذ يُمكن اعتبار تشتت النيوترونات غير المرن نوعًا خاصًا من التحليل الطيفي. ولأن تشتت النيوترونات غير المرن لا يخضع لقواعد الانتقاء البصري، فإنه يُمكنه أيضًا دراسة الانتقالات - مثل الانتقالات الدورانية البحتة للجزيئات غير القطبية - التي لا يُمكن الوصول إليها باستخدام التحليل الطيفي الدوراني التقليدي .

تتطلب تجارب التشتت غير المرن عادةً توحيد لون الحزمة الساقطة أو الخارجة وتحليل طاقة النيوترونات المتشتتة. ويمكن القيام بذلك إما باستخدام تقنيات زمن الطيران ( تشتت زمن طيران النيوترونات ) أو باستخدام انعكاس براغ من البلورات الأحادية ( مطيافية المحاور الثلاثية للنيوترونات ، التشتت العكسي للنيوترونات ). أما في تقنيات الصدى ( صدى دوران النيوترونات ، صدى دوران رنين النيوترونات )، فلا حاجة لتوحيد اللون، إذ تستخدم هذه التقنيات الطور الكمي للنيوترونات بالإضافة إلى سعتها.

أُجريت أولى تجارب حيود النيوترونات في ثلاثينيات القرن العشرين. ^{[ 1 ]} إلا أنه لم يتسنَّ الحصول على تدفقات نيوترونية عالية إلا في عام 1945 تقريبًا، مع ظهور المفاعلات النووية، مما أتاح إمكانية إجراء دراسات معمقة للبنية. وتم تركيب أولى أجهزة تشتت النيوترونات في أنابيب الحزم في مفاعلات الأبحاث متعددة الأغراض. وفي ستينيات القرن العشرين، بُنيت مفاعلات ذات تدفقات عالية مُحسَّنة لتجارب أنابيب الحزم. وبلغ هذا التطوير ذروته في مفاعل التدفق العالي التابع لمعهد لاو-لانجفين (الذي يعمل منذ عام 1972) والذي حقق أعلى تدفق نيوتروني حتى ذلك الحين. وإلى جانب عدد قليل من مصادر التدفق العالي، كان هناك نحو عشرين مصدرًا لمفاعلات التدفق المتوسط ​​في الجامعات ومعاهد الأبحاث الأخرى. وابتداءً من ثمانينيات القرن العشرين، أُغلقت العديد من هذه المصادر ذات التدفق المتوسط، وتركزت الأبحاث على عدد قليل من مصادر التدفق العالي الرائدة عالميًا.

تُجرى معظم تجارب تشتت النيوترونات اليوم بواسطة باحثين علميين يتقدمون بطلبات للحصول على وقت استخدام شعاع النيوترونات في مصادر النيوترونات من خلال إجراءات تقديم مقترحات رسمية. ونظرًا لانخفاض معدلات العد في تجارب تشتت النيوترونات، فإن الحصول على مجموعات بيانات قابلة للاستخدام يتطلب عادةً فترات طويلة نسبيًا من وقت استخدام الشعاع (تصل إلى عدة أيام). وتُقيّم المقترحات من حيث جدواها وأهميتها العلمية. ^{[ 5 ]}

• حيود النيوترونات
  • تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة
  • تشتت النيوترونات بزاوية صغيرة مع صدى الدوران
  • قياس انعكاس النيوترونات
• تشتت النيوترونات غير المرن
  • مطيافية النيوترونات ثلاثية المحاور
  • تشتت النيوترونات في زمن الطيران
  • تشتت النيوترونات العكسي
  • صدى دوران النيوترون
• تشتت النيوترونات المستقطبة

• نقل النيوترونات
• مجهر النيوترونات LARMOR
• تقريب بورن

• مورد تعليمي إلكتروني مجاني برعاية الاتحاد الأوروبي حول تشتت النيوترونات
• تشتت النيوترونات - دراسة حالة
• تشتت النيوترونات - مقدمة ( نسخة بالأبيض والأسود مستضافة في مختبر لوس ألاموس الوطني ) - مقال تمهيدي كتبه روجر بين ( مختبر لوس ألاموس الوطني )
• مقابلة بودكاست مع اثنين من علماء معهد لاو لانجفين حول علم النيوترونات/التشتت في معهد لاو لانجفين
• فيديو على يوتيوب يشرح أنشطة مركز يوليش لتشتت النيوترونات
• Neutronsources.org
• العلوم والابتكار باستخدام النيوترونات في أوروبا عام 2020 (SINE2020)
• قاعدة بيانات أجهزة حزم النيوترونات التابعة للوكالة الدولية للطاقة الذرية