Neutronspridning

Neutronspridning innebär kortfattat att neutroner infaller mot ett prov, reagerar med atomkärnorna i provet och fortsätter vidare i en annan riktning. En detektor placerad i denna riktning mäter hur neutronernas egenskaper har förändrats. Eftersom man vet deras ursprungliga egenskaper måste förändringen bero på provet, därmed kan man räkna ut hur detta är beskaffat.

Neutronen är en elektriskt neutral partikel med ungefär samma massa som protonen, men protonen är elektriskt laddad. Protonen och neutronen är fundamentala byggstenar i atomkärnan, antalet protoner bestämmer vilket grundämne det blir. Grundämnen i sin tur kombineras till molekyler och bygger på så sätt upp hela vår värld.

En speciell egenhet hos dessa mikroskopiska partiklar är att de även kan uppfattas som en vågrörelse, den sk våg-partikeldualismen (ursprunglig idé av Lois de Broglie, ung forskarstuderande i Paris 1923). En ström av neutroner kan alltså ses som en neutronvåg med en viss våglängd, amplitud och fas. Ju högre hastighet hos neutronen, desto kortare våglängd. Ju fler neutroner som går samtidigt i samma riktning desto högre amplitud hos vågrörelsen.

Med detta sätt att betrakta de inkommande neutronerna är det lättare att förklara vad neutronspridning går ut på. Man kan tänka sig att neutronerna kommer i form av en parallell våg (som havsvågor som faller in mot en strand). Om havsvågen träffar ett hinder t ex en stor sten, kommer den att studsa och ge upphov till cirkulära vågor som sprider sig centralt ut från stenen. Likande fenomen uppträder då en parallell neutronvåg stöter på ett hinder i form av en atomkärna, den sprids i ett cirkulärt mönster. Neutronvågens riktning, amplitud, våglängd och fas ändras, och i denna ändring finns informationen om vad den krockat med.

Samma teknik har länge använts baserat på röntgenstrålning, sk röntgendiffraktion för att tex strukturbestämma kristaller. Skillnaden och fördelarna med neutroner är att de är oladdade och därmed bara påverkar material mycket svagt. De tränger djupt in i materia, de ”ser” alla atomkärnor och kan även skilja på isotoper av samma ämne. De kan lätt påverkas av ”elementarmagneter” och är därför utmärkta att studera magnetiska egenskaper i mikroskopisk detalj.

Om man producerar neutronerna med hjälp av en accelerator som skall ske i ESS, kommer man att ha tillgång till pulsade strålar, dels 1/1000 sekund, dels 1/1000000 sekund. Därmed kan man alltså ta ”blixtfoto” av dynamiska processer vilket alltså förutom att säga ”var atomerna är” också kommer att säga ”hur de rör sig”, vilket är en oerhört stor fördel.

Under rubriken Vetenskap kommer olika exempel på var neutronspridning kan användas att ges, ämnesområde för ämnesområde.