Дифракция нейтронов и структурный анализ

3.1. Условия возникновения дифракции.

При изучении законов распространения света под дифракцией когда-то понимали любое отклонение от путей, предписанных законами геометрической оптики. После введения понятия рассеивающего центра, такое определение дифракции фактически стало означать рассеяние и представляется слишком общим. Поэтому сейчас при изучении рассеяния электромагнитных волн или частиц (нейтронов и электронов) на совокупности рассеивающих центров (объекте) предпочитают говорить, что процесс рассеяния излучения является дифракционным, если зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния или от какой-либо другой переменной представляется в виде более-менее узких пиков. Для того чтобы процесс был дифракционным необходимо выполнение (по крайней мере) двух специальных требований:

- рассеяние на разных рассеивающих центрах должно быть когерентно, т.е. фаза волны при рассеянии изменяется закономерным (а не случайным) образом,

- система рассеивателей должна обладать пространственной периодичностью.

Эти условия не обязательно должны выполняться абсолютно, вполне достаточно их выполнения только в какой-то степени, а именно, сечение рассеяния может содержать обе, когерентную и некогерентную, компоненты, периодичность системы по одному или по всем трем измерениям может выполняться только частично. От степени выполнения этих двух условий зависит контраст дифракционной картины – от идеального (резкие пики без фоновой подложки), до слабого (слабые по интенсивности пики, большой фон) (рис. 3-1).

Основным объектом исследования в структурных экспериментах являются кристаллы. Для проведения структурного анализа принципиальным является наличие у кристаллов внутренней периодичности (дальнего порядка), которая, как правило, является трехмерной, но может быть одно- или двумерной. Периодичность позволяет ввести особый элемент симметрии – трансляцию, под которой понимают возможность параллельного переноса структуры на определенное расстояние (период Т) без каких-либо изменений ее свойств, т.е. в кристалле выполняется условие Φ(r) = Φ(r + T), где под Φ(r) понимается любое свойство кристалла, например, значение электронной плотности, в точке r. Структура кристалла может не содержать никаких других элементов симметрии (центра инверсии, зеркальных плоскостей, поворотных осей и т.д.), но это не помешает структурному анализу, в худшем случае несколько затруднит его. В то время как сильное нарушение периодичности может в принципе не позволить решить основную задачу структурного анализа – определить координаты атомов в элементарной ячейке.

Специфика взаимодействия нейтронов с веществом приводит к тому, что степень нарушения дальнего порядка всегда выше, чем в случае рентгеновских лучей, что связано с зависимостью длины рассеяния от массового числа ядра и взаимной ориентации спинов ядра и нейтрона. В частности, возможна ситуация, когда когерентное рассеяние нейтронов на кристалле полностью отсутствует, хотя рентгеновская дифракционная картина выглядит вполне обычно.