中子衍射

原理

中子與其他微觀粒子一樣，具有波粒二象性。

當中子波以掠射角

射向晶面，在相鄰兩晶面上反射的中子波，程差為

與X射線一樣，當

等於中子波長的整數倍時，這兩支反射波相干而加強，由許多層的相干作用，出現明顯的衍射峰。中子衍射的布喇格公式為

式中

——晶面間距；

——掠射角；

——散射中子波長；

——衍射級次。

在反射中子束中，對應

，成為一級衍射，其他成為次級衍射。通常一級衍射最強，強度隨

的增加，迅速下降。在實際套用中，只有前面很少幾級起作用。

對於非極化中子束，它在磁性晶體上的散射，中子衍射峰的強度是核衍射強度和磁衍射強度之和。

對於極化中子束，必須考慮到核散射振幅和磁散射振幅之間的相干現象，使衍射峰強度帶來加強或減弱的效果。

中子衍射和X射線衍射十分相似，其不同之處在於：

1、X射線是與電子相互作用，因而它在原子上的散射強度與原子序數成正比，而中子是與原子核相互作用，它在不同原子核上的散射強度不是隨值單調變化的函式，這樣，中子就特別適合於確定點陣中輕元素的位置(X射線靈敏度不足)和值鄰近元素的位置（X 射線不易分辨）；

2、對同一元素，中子能區別不同的同位素，這使得中子衍射在某些方面，特別在利用氫-氘的差別來標記、研究有機分子方面有其特殊的優越性；

3、中子具有磁矩，能與原子磁矩相互作用而產生中子特有的磁衍射，通過磁衍射的分析可以定出磁性材料點陣中磁性原子的磁矩大小和取向，因而中子衍射是研究磁結構的極為重要的手段；

4、一般說來中子比X 射線具有高得多的穿透性，因而也更適用於需用厚容器的高低溫、高壓等條件下的結構研究。中子衍射的主要缺點是需要特殊的強中子源，並且由於源強不足而常需較大的樣品和較長的數據收集時間。

5、在實驗技術上與傳統方法稍有差別的還有利用不同波長的中子具有不同速度(能量)這一原理建立的飛行時間衍射法，主要用在加速器等強脈衝中子源上。

中子衍射主要套用於：

1、晶體單色器

從反應堆引出的熱中子是連續譜。如果再引出孔道外面安置一單晶片，中子束以掠射角

射向單晶片。根據布喇格條件

在與入射方向成

角的方向上可接受到波長為

的單能中子，

是反射晶面的間距。改變不同的

，就可以得到不同波長

的單能中子。

2、極化中子中子束

選取適當的鐵磁晶體，通過相干衍射可以有效地得到極化中子束。下面說明其原理。

對於任一非極化中子束，我們都可以看成兩個相反方向極化中子束之和。將中子束射到鐵磁晶體表面，在某一晶面上發生布喇格反射。由於磁散射振幅的大小與反射面和掠射角有關，因此對於某種晶體，反射束中只有自旋朝上的中子存在，才能達到產生極化中子束的目的。