中子衍射法分析物质内部结构

中子是一种不带电荷的微观粒子，它的自旋量子数为1/2，磁矩为1.042×10^-3μB（μB为玻尔磁子）。和其他微观粒子一样，中子也具有波粒二象性。在普通的反应堆中的平衡温度（通常在0～100℃）的范围内，相应产生的中子束的波长约为0.15nm，这是晶体中原子间距的数量级。因此，与F射线一样，中子也能与晶体发生衍射现象。

图9-6所示为中子衍射仪示意图，其光路布置类似于F射线衍射仪，这称为德拜-谢氏几何。反应堆产生的中子流经锗单晶体后形成单一波长的中子束，经过样品衍射后，用三氟化硼（BF₃）计数器记录。中子束没有F射线的标识谱，能量呈连续分布，因此经单色器后仅有初级束中1×10^-3的中子通过，这就要求增大束流直径（≈10cm），样品尺寸也可以做成很大（≈10cm），典型的样品尺寸为ϕ1.5cm×5cm。可采用块状试样或粉末试样，粉末试样通常装在铝壳内。

中子衍射几何与F射线衍射一样都可用布拉格方程描述，但中子衍射有其独特的优势，已日益成为材料结构分析的有力工具。其与F射线相比有以下特点：

图9-6 中子衍射仪示意图

1—防透罩 2—样品 3—镉罩 4—反应堆 5—锗单色器 6—监测计数器 7—可移动式BF₃计数器 8—准直仪（α=0.17°）

（1）F射线在晶体中是被核外电子散射，不同原子间的散射因数相差很大，如氢和铀相差100；而中子只受到原子核的作用产生散射，不同原子间的散射因数相差不大（≈4）。因此中子衍射能分析含有轻、重原子（如氢化物、碳化物）的物质。F射线与中子的特性比较见表9-7。

表9-7 X射线与中子的特性比较(www.xing528.com)

注：b是中子散射长度；μ是线性吸收系数；t_50%是50%强度的光束穿透深度；f是F射线散射振幅。表中F射线的f和μ值是时的计算值。

对于原子序数相邻的原子构成的物质（如Fe和Co），利用中子衍射也比较容易研究它的结构。特别重要的是同位素散射因数的差别，使得中子衍射可以分析每个元素的同位素在不同晶体中的散射因数的分量。

（2）F射线原子散射因数随衍射角而变化，而中子则几乎不变。

（3）中子不带电，穿透力强，质量吸收系数小（表9-7），所以中子衍射分析的不是表面信息，而是样品内部的信息。这一特点使高低温附件、高压附件等实验装置易于实施。

（4）中子的能量呈连续谱分布，没有F射线中k_a1、k_a2产生的复杂干扰花样。

（5）中子有磁矩，与晶体中磁场相互作用，可给出晶体原子中磁矩的排列信息。事实上，到目前为止，所有材料的磁结构都是中子衍射确定的。