Tα νετρόνια ως «εργαλείο» µελέτης της ύλης Κ. Μεργιά Ινστιτούτο Πυρηνικής Τεχνολογίας και Ακτινοπροστασίας ΕΚΕΦΕ «ηµόκριτος» Θερινό Σχολείο ΕΚΕΦΕ «ηµόκριτος», Ιούλιος 2005
Πόσο µεγάλα είναι? Από που έρχονται τα νετρόνια?
Πώς ανακαλύφθηκε το νετρόνιο? Πείραµα Walter Bothe και H. Becke το 1930: Η ακτινοβολία που παρατήρησαν δεν εκτρεπόταν από το µαγνητικό πεδίο και είχε µεγάλο βάθος διείσδυσης (µερικά cm) ακόµη καιστοµολύβι. Πίστεψαν ότι επρόκειτο για ακτινοβολία γάµα υψηλής ενέργειας. He+ Be C + n 4 9 12 2 4 6 Το 1932 ο James Chadwick αντιλήφθηκε ότι δεν είναι γάµα ακτινοβολία αλλά ηλεκτρικά ουδέτερα σωµατίδια - νετρόνια
Ιδιότητες νετρονίων Μάζα ηρεµίας m n =1.6749543(86) x 10-24 g ιάσπαση mn > mp + me n p + e + ν Χρόνος ζωής Ηλεκτρικό φορτίο Μαγνητική ροπή Σπιν τ=886 s~15 min q n = - (1.5 ± 2.2 ) x 10-20 e~ 0 Ταχύτητα νετρονίου Μήκος τροχιάς Ηλεκτρικό πεδίο Ευαισθησία µέτρησης απόκλισης µ n = -1.04187564(26) x 10-3 µ B = -1.91304308(54) µ N 1/2 200 m/s 10 m 60 kv/m ~1 nm
Νετρόνιο κυµατο/σωµατιδιακή οντότητα ν λ= h m ν n λ E 2 1 h 2 2mλ 2 = mv = 2 νετρόνια κρύα θερµικά επιθερµικά ενδιάµεσα ταχέα Ενέργεια 0.5 mev 2 mev 2 mev 100 mev 100 mev 1 ev 1 ev 0.8 MeV > 0.8 MeV Μήκος κύµατος 12.8 Å 6.4 Å 6.4 Å 0.9 Å 0.9 0.28 Å
Αλληλεπίδραση νετρονίων και ύλης; Τα νετρόνια «βλέπουν» τους πυρήνες των ατόµων η αλληλεπίδραση δεν εξαρτάται από τον ατοµικό αριθµό του στοιχείου αλλά µεταβάλλεται τυχαία αλληλεπιδρούν διαφορετικά µε τα ισότοπα ενός στοιχείου (ισοτοπική αντικατάσταση για δηµιουργία αντίθεσης) «βλέπουν» και τα πιο ελαφρά άτοµα όπως υδρογόνο, τον άνθρακα, το οξυγόνο...παρουσία βαρέων ατόµων
Αλληλεπίδραση νετρονίου - πυρήνα ισοτροπική µικρής εµβέλειας (fm=10-13 cm) V 2 2πh () r = bδ() r m υναµικό αλληλεπίδρασης b µήκος σκέδασης νετρονίου Mεταβάλλεται τυχαία και µπορεί να θετικό ή αρνητικό Mιγαδικός αριθµός το φανταστικό µέρος αντιστοιχεί στην απορρόφηση Ενεργός διατοµή σκέδασης~ b 2
Πόσο µεγάλοι «φαίνονται» οι πυρήνες στα νετρόνια? Νετρόνια και βιολογικά συστήµατα παίζοντας µε τοcontrast H -0.374 x 10-12 cm D 0.667 x 10-12 cm
Kύµατα ανακλώνται και διαθλώνται θ 1 θ 1 Λύνουµε την εξίσωση του Shrödinger και αποδεικνύεται ο νόµος του Snell n θ 2 sin θ = nsin θ 1 2 n = 1 λ Nb 2π 2 b: µήκος σκέδασης N: αριθµητική πυκνότητα πυρήνων λ: µήκος κύµατος n ~ 1 Ολικήανάκλασησεγωνίεςπρόσπτωσης γύρω στις 90 µοίρες Χρησιµοποιώντας την ολική ανάκλαση φτιάχνουµε κυµατοδηγούς νετρονίων
Τι προσδιορίζει τις ιδιότητες της ύλης? ΟΜΗ Ηεπίδρασητηςδοµής βρίσκεται παντού γιατί ένα υλικό είναι σκληρό ή µαλακό η ισχύς των µαγνητών, ηβιολογίατουdna ή η επίδραση των αντισωµάτων στους ιούς όλα εξαρτώνται από τη δοµή καιτοχηµικό δεσµό οµή χρυσού Τα επίπεδα µε ταάτοµα µπορούν εύκολα να ολισθήσουν το ένα πάνω στο άλλο και γι αυτό ο χρυσός είναι εύπλαστος.
Νετρόνια και δοµή Στατική δοµή Το µήκος κύµατος των θερµικών νετρονίων είναι της τάξης των ενδοατοµικών αποστάσεων
Σκέδαση νετρονίων και κλίµακα δοµής ατοµική δοµή Μικροδοµή Περίθλαση νετρονίων Σκέδαση νετρονίων σε µικρές γωνίες Ανάκλαση νετρονίων 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 (m)
Τα πάντα ρει Ηδοµή αλλάζει Η δοµή µετασχηµατίζεται (χηµικές αντιδράσεις, αλλαγές θέσης ατόµων, διάχυση, αλλαγές φάσης, κλ.π.) µε κατεργασίες όπως θερµική, µηχανική, οξείδωση, διαβρωτικό περιβάλλον, κ.λ.π. Τα νετρόνια είναι µοναδικά για τη µελέτη των αλλαγών δοµής καθώς αυτές συµβαίνουν σε µια κατεργασία Γιατί? Πολύπλοκα συστήµατα περιβάλλοντος δείγµατος µπορούν να χρησιµοποιηθούν (κρυοστάτες, φούρνοι, συσκευές πίεσης,...) καθώς τα νετρόνια έχουν µεγάλο βάθος διείσδυσης στην ύλη (ηλεκτρικά ουδέτερα σωµατίδια, µικρή εµβέλεια πυρηνικών δυνάµεων)
Και όµως τα άτοµα κινούνται Τα νετρόνια είναι τόσο ελαφρά σωµατίδια που όταν χτυπούν ένα άτοµο που κινείται αλλάζουν ενέργεια/ταχύτητα και µετρώντας την αλλαγή στο µέτρο και τη διεύθυνση της ταχύτητας µπορούµε ναδιερευνήσουµε τις κινήσεις των ατόµων Οι ενέργειες των θερµικών νετρονίων (25 mev) είναι παρόµοιες µε τις ενέργειες των διεγέρσεων στα στερεά Τα νετρόνια «αισθάνονται» τις ταλαντώσεις των ατόµων
Πυξίδες για τα µυστικά του µαγνητισµού Το νετρόνιο είναι ένας µικροσκοπικός µαγνήτης Ν Αν βρεθεί κοντά σε ένα µαγνητικό άτοµο θα απωθηθεί ή θα ελκυθεί ανάλογα µε την κατεύθυνση που δείχνουν οι πόλοι του. S απώθηση έλξη Μαγνητική αλληλεπίδραση V () r = µ B() r
Νετρόνια στις Επιστήµες
Περίθλαση νετρονίων
Περιθλασίµετρο νετρονίων
Περιθλασίµετρο νετρονίων στον Ερευνητικό Αντιδραστήρα του ΕΚΕΦΕ
Kρυσταλλική δοµή 16000 14000 12000 Al 2 O 3 λ=1.5437 A r975 10000 Intensity 8000 6000 4000 2000 0 20 40 60 80 100 2Θ Στο Al 2 O 3 ζεύγη οκταέδρων AlO 6 συνδέονται µέσω ακµής, και στοιβάζονται κατά τον άξονα z. ΝΕDI, ΕΚΕΦΕ «ηµόκριτος»
Mαγνητικές τάξη αντισιδηροµαγνητισµός MnO Τ=293 Κ Ατοµική τάξη Mn O Τ=80 Κ ατοµική + µαγνητική τάξη Με περίθλαση νετρονίων αποδείχθηκε η ύπαρξη αντισιδηροµαγνητικών δοµών
οµή και υπεραγωγιµότητα υψηλών θερµοκρασιών ΥΒa 2 Cu 3 Ο 7 H περίθλαση νετρονίων έδειξε ότι τα υπεραγώγιµα στρώµατα είναι «ντοπαρισµένα» µε στρώµατα «αποθεµάτων φορτίου» -τις τετράγωνες αλυσίδες οξειδίων του χαλκού. X-rays Nετρόνια
Κολοσσιαία µαγνητοαντίσταση LaSr 2 Mn 2 O 7 at 165 K d τροχιακά του Μn Oι µαγγανίτες του τύπου LaMnO 3 είναι ηλεκτρικά αγώγιµα υλικά που παρουσιάζουν πολλή µεγάλη µεταβολή στην αντίσταση όταν εφαρµόζεται µαγνητικό πεδίο. Εφαρµογές σε µαγνητικές µνήµες, αισθητήρες µαγνητικού πεδίου ή τρανζίστορς. Στα µέταλλα µετάβασης τα εξωτερικά d τροχιακά ηλεκτρονίων είναι εκείνα που συµµετέχουν στους δεσµούς και προσδίδουν στα υλικά των βαρέων µετάλλων τα ηλεκτρονιακά και δοµικά χαρακτηριστικά
Kαύσιµο από το βυθό των ωκεανών Αναζήτηση νέων πηγών φυσικών καυσίµων Ένυδρο µεθάνιο βρίσκεται στο βυθό των ωκεανών και στις αρκτικές περιοχές Η ενέργεια που είναι αποθηκευµένη σε αυτά είναι διπλάσια από τα αποθέµατα που διαθέτουµε σεπετρέλαιο, φυσικό αέριο και άνθρακα Μόρια µεθανίου Πώς µεταβάλλονται µε την πίεση και τη θερµοκρασία; Σύνδεση αποσύνθεσης αυτών µε υποθαλάσσιες καθιζήσεις εδαφών Β. Challazon et al. (University of Goettingen, Germany)
Μηχανική αντοχή υλικών και νετρόνια Παραµένουσες τάσεις απουσία φορτίων υπάρχουν σε όλα τα µηχανολογικά εξαρτήµατα και αδυνατούν την αντοχή του υλικού. ηµιουργούνται κατά την παρασκευή αυτών π.χ. λόγω κολλήσεων, θερµικών και επιφανειακών διεργασιών, κ.λ.π. Η µετρούµενηποσότηταείναιηπλεγµατική απόσταση d ηοποία µεταβάλλεται ανάλογα µε τοβαθµό της τάσης και της θέσης στο εξάρτηµα ( d/d~10-4 ) Κόλληση σε σιδηροτροχιά Xαρτογράφηση τάσεων κατά µήκος της τροχιάς A.N. Ezeilo, G.A. Webster (Imperial College), P.J. Webster (Salford University).
Τα νετρόνια στη Βιολογία Μόρια νερού γύρω από υδατοδιαλυτές πρωτεϊνες
Νετρόνια και κυταρρικές µεµβράνες Οι πιο σηµαντικές πρωτεΐνες που καθορίζουν βιολογικές λειτουργίες βρίσκονται στις κυτταρικές µεµβράνες. Μπορούν να δρουν ως µεταδότες σήµατος, ως υποδοχείς ορµονών ή να ελέγχουν τη διέλευση µικρών µορίων µέσα από τη µεµβράνη. οµή απορρυπαντικού δακτυλίου γύρω από από ένα τριµερές της πρωτεϊνης Ompf porin απότοβακτήριοe. Coli. Οι κόκκινες ισοϋψείς αντιπροσωπεύουν τα µόρια του απορρυπαντικού τα οποία σχηµατίζουν µια ρευστή ζώνη γύρω από το µόριο πρωτεϊνης. Κρυσταλλική διάταξη των συµπλόκων πρωτεΐνης- απορρυπαντικού. Απεικόνιση των πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων. P.A. Timmins, S. Penel (ILL), E. Pebay-Peyroula (IBS).
Μοριακοί µαγνήτες Μπορούµε ναδηµιουργήσουµε µόνιµους µαγνήτες οι οποίοι είναι ελαφροί, διαφανείς και βιο-συµβατοί? Περίθλαση µε πολωµένες δέσµες νετρονίων Χαρτογράφηση της πυκνότητας σπιν
οµές που έφτιαξε ο άνθρωπος - Φουλερένια Άτοµα κρυπτού παγιδευµένα ανάµεσα σε µόρια C60 Mόρια CO 2 παγιδευµένα ανάµεσα σε µόρια C60 ANSTO web site
Σκληρά κεραµικά Ζιρκόνια Αν µια κατακόρυφη δύναµη εξασκηθεί στον κρύσταλλο αριστερά ή δοµή τουθα αλλάξειόπωςφαίνεταιδεξιά. Η δοµικήαυτήαλλαγή είναι αρκετή για να αποτρέψει τις ρωγµές. ANSTO web site
Νανοδοµές - Σωµατίδια δεύτερης φάσης ΑΒ Α Β Κατά τη γήρανση των κραµάτων µέσω διάχυσης σχηµατίζονται περιοχές µε διαφορετική κρυσταλλική δοµή από εκείνη του µητρικού υλικού (precipitates) Η αντοχή των κραµάτων οφείλεται στην παρουσία αυτών. Εµποδίζουν την κίνηση των εξαρθρώσεων και κατά συνέπεια τη δηµιουργία ρωγµών και την αστοχία του υλικού. εξάρθρωση
Μελέτη νανοδοµών σε κράµατα AlLi Χαρακτηρισµός νανοσωµατιδίων AlLi 3 σε µεταλλική µήτρα 1.5 Τ= 82 ο C T=105 o C 1.2 T=120 o C 3.0 T=176 o C T=210 o C R 3 (t) / (10 3 nm 3 ) 0.9 0.6 0.3 n p / (10 23 m -3 ) 2.0 1.0 0.0 0 100 200 300 400 500 600 t / h 0.0 0 2 4 6 h / t Προσδιορισµός µεγέθους νανοσωµατιδίων σε κράµατα AlLi συναρτήσει του χρόνου ανόπτησης σε διαφορετικές θερµοκρασίες. Προσδιορισµός της αριθµητικής πυκνότητας νανοσωµατιδίων σε κράµατα AlLi συναρτήσει του χρόνου ανόπτησης σε διαφορετικές θερµοκρασίες.
Τέλειος µονοκρύσταλλος Si - Σωµατίδια δεύτερης φάσης Σκέδαση νετρονίων σε µικρές γωνίες από σωµατίδια SiO 2 σε µονοκρύσταλλο πυριτίου ο οποίος ανοπτήθηκε στους 600 C για 500 ώρες. Οκεντρικός«σταυρός» προκύπτει από το σχήµα τωνσωµατιδίων. Tεχνολογία µικροηλεκτρονικής Έλεγχος της κατανοµής των σωµατιδίων SiO 2 S. Rycroft, R.J. Stewart (Univ. Reading) and S. Messoloras (Demokritos)
Ανάκλαση νετρονίων γεωµετρία Q θ k i k r θ Q = 4πsin λ θ 2π ki = kr = ελαστική σκέδαση λ
Επιστήµη επιφανειών και ανάκλαση νετρονίων Μπορούµε να προσδιορίσουµε προσρόφηση µορίων σε επιφάνειες διάχυση σε ενδοεπιφάνειες προφίλ πυκνότητας συναρτήσει του βάθους επιφανειακά φαινόµενα όπως οξείδωση, θερµικά καταπονήσεις Reflectivity 1 0.1 0.01 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 no absorption deuterium absorption hydrogen absorption 1E-7 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 Q / A -1
Μαγνητική δοµή διδιάστατων συστηµάτων Ένα παχύ µαγνητικό στρώµα
Μαγνητική δοµή διδιάστατων συστηµάτων Λεπτό µαγνητικό στρώµα πάνω σε υπόστρωµα
Μαγνητική δοµή διστρωµατικών υλικών V/Gd 1 V(4 ML)/Gd 1 V(8 ML)/Gd 0.1 0.1 0.01 0.01 1E-3 R+ R- 1E-3 R+ R- Reflectivity 1E-4 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1 0.1 0.01 V(10 ML)/Gd 0.1 0.01 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 1 V(11 ML)/Gd Al Gd V Υπόστρωµα 1E-3 R+ R- 1E-3 R+ R- 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 Q (nm -1 ) Το µη µαγνητικό βανάδιο αποκτά µαγνητική ροπή στην ενδοεπιφάνεια µε τοgd ηοποία προσανατολίζεται αντιπαράλληλα µε τη µαγνητικήροπήτουgd K. Mergia et al., Demokritos
Ραδιογραφία νετρονίων
Τοµογραφία µε νετρόνια Πτερύγιο στροβιλοφόρου κινητήρα. Τριδιάστατη αναπαράστατη σε υπολογιστή 200 ραδιογραφιών νετρονίων.
Ανελαστική σκέδαση νετρονίων Ελαστική σκέδαση Ανελαστική σκέδαση k 2π = k = λ Q = 4πsin λ θ
Yπάρχουν φωνόνια? t θ 1 t 1 θ 1 E 1, p 1 θ 2 λ in E in E t 2 θ 2 E 2, p 2 Καµπύλη φωνονίων p
Φωνόνια και νετρόνια B. Brockhouse : Nobel Φυσικής το 1994 Απέδειξε την ύπαρξη φωνονίων Πρωτοπόρος στη µελέτη της δυναµικής των υλικών µε ανελαστική σκέδαση νετρονίων Το φωνόνιο είναι κβάντο της ενέργειας ταλάντωσης ενός στερεού Σηµασία: Θερµικές και ελαστικές ιδιότητες υλικών π.χ. θερµική αγωγιµότητα
Το µέλλον της σκέδασης νετρονίων Τα νετρόνια µας έχουν δώσει απαντήσεις στο τι συµβαίνει στα υλικά, χηµικά, βιολογικά συστήµατα... Έχουν εφαρµογές στις Επιστήµες Υγείας, στη Γεωλογία, στην Ενέργεια, το Περιβάλλον, στη Μικροηλεκτρονική και άλλες Τεχνολογίες. Καθώς τα ερωτήµατα για τη Φύση γίνονται όλο και βαθύτερα και οι τεχνολογικές ανάγκες πιο έντονες, νέες εφαρµογές της σκέδασης νετρονίων εµφανίζονται, νέες τεχνικές ανατπύσσονται και νέες πηγές νετρονίων µε Ευρωπαϊκή συνεργασία σχεδιάζονται. Βλέπουµε µπροστά µας ένα συναρπαστικό µέλλον
Θέλετε να µάθετε περισσότερα για τα νετρόνια...? www.ill.fr www.isis.rl.ac.uk Eρευνητικός αντιδραστήρας ΕΚΕΦΕ «ηµόκριτος»