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Espectroscopia de neutrones

Esquema de un espectrómetro de neutrones de triple eje en un reactor de neutrones (IN1 en el Institut Laue Langevin, ILL, Grenoble). La espectroscopia de neutrones es un método ...

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Esquema de un espectrómetro de neutrones de triple eje en un reactor de neutrones (IN1 en el Institut Laue Langevin, ILL, Grenoble).

La espectroscopia de neutrones es un método espectroscópico para medir los movimientos atómicos y magnéticos mediante la medición de la energía cinética de los neutrones emitidos . Los neutrones medidos pueden ser emitidos directamente (por ejemplo, por reacciones nucleares ) o dispersarse en materia fría antes de llegar al detector. La dispersión inelástica de neutrones observa el cambio en la energía y el vector de onda del neutrón al dispersarse en una muestra. [ 1 ] Esto puede utilizarse para investigar una amplia variedad de fenómenos físicos, como los movimientos de los átomos (difusionales o por salto), los modos rotacionales de las moléculas, los modos de sonido y las vibraciones moleculares , el retroceso en fluidos cuánticos , las excitaciones magnéticas y cuánticas o incluso las transiciones electrónicas. [ 2 ]

Desde su descubrimiento, la espectroscopia de neutrones se ha vuelto útil en medicina, ya que se ha aplicado a la protección radiológica y la radioterapia . [ 3 ] También se utiliza en experimentos de fusión nuclear , donde el espectro de neutrones puede usarse para inferir la temperatura, la densidad y la composición del plasma, además de la potencia total de fusión. [ 4 ]

La espectroscopia de neutrones se realiza habitualmente con un amplio rango de energías de neutrones, desde unas pocas centésimas de electronvoltio [ 5 ] hasta decenas de megaelectronvoltios [ 4 ] . Gran parte de la investigación actual se centra en ampliar estas capacidades a energías más altas. En 2001, investigadores estadounidenses lograron medir neutrones con energías de hasta 100 gigaelectronvoltios [ 6 ].

Interacciones de dispersión involucradas en la espectroscopia de neutrones

Existen tres tipos diferentes de interacciones de dispersión que permiten investigar diversas propiedades mediante neutrones: dispersión nuclear (dispersión coherente), dispersión nuclear dependiente del espín ( dispersión incoherente ) e interacciones de dipolo magnético entre el neutrón y el campo dipolar de los electrones desapareados . En la mayoría de los casos, la dispersión coherente e incoherente se utilizan para investigar propiedades moleculares.

Mediante estas interacciones de dispersión, es posible estudiar los movimientos difusivos en agua líquida, como los movimientos de traslación y rotación, ya que las energías asociadas a esta acción son del orden de 1 meV. La espectroscopia de neutrones también puede utilizarse para estudiar los modos vibracionales inter e intramoleculares, dado que las energías asociadas a dichas transferencias rondan los 400-500 meV, lo que aún se encuentra dentro del rango de energías que permite este método. [ 7 ]

Dispersión nuclear coherente

El primer tipo de interacción es la dispersión nuclear, que ocurre cuando los neutrones interactúan con los núcleos a través de la fuerza nuclear de muy corto alcance. La longitud de onda, λ, es del orden de unos pocos angstroms (Å). Dado que un neutrón térmico no puede "ver" la estructura interna de un núcleo, la dispersión se considera isotrópica . Esta interacción se caracteriza, por lo tanto, por una longitud de dispersión b, que es del mismo orden que el tamaño de un núcleo (10⁻¹⁵ m ). En consecuencia, la dispersión nuclear permite sondear las correlaciones de densidad de los nucleones en el núcleo. [ 7 ] [ 8 ]

Dispersión nuclear incoherente

El segundo tipo de interacción es la dispersión nuclear dependiente del espín, en la que la interacción entre el neutrón y el núcleo depende del espín total (espín del neutrón, ½, y espín del núcleo, I) formado durante el evento de dispersión. Los dos estados posibles son, por lo tanto, I + ½ e I – ½. Esta dependencia del espín da lugar a una dispersión incoherente, que permite investigar el movimiento de partículas individuales y estudiar el ordenamiento de los espines nucleares a temperaturas ultrabajas. [ 7 ] [ 8 ]

interacción de dipolo magnético

El tercer tipo de interacción se produce entre el momento dipolar magnético del neutrón y el campo dipolar de los electrones desapareados. Esto permite sondear el espín total de los electrones desapareados y del neutrón. La longitud de dispersión magnética de un electrón es b m = 𝛾r 0 = 1,348 fm, que es del mismo orden de magnitud que la longitud de dispersión nuclear. Debido al carácter dipolo-dipolo de la interacción, la dispersión se considera anisotrópica. [ 7 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Loewenhaupt, M. (2004-01-01), "Excitaciones magnéticas en sólidos" , en Buschow, KH Jürgen; Cahn, Robert W.; Flemings, Merton C.; Ilschner, Bernhard (eds.), Enciclopedia de materiales: ciencia y tecnología , Oxford: Elsevier, pp. 1–7 , doi : 10.1016/b0-08-043152-6/01904-5 , ISBN  978-0-08-043152-9, consultado el 16 de noviembre de 2024
  2. ↑ "ISIS - Espectroscopia de neutrones" . www.isis.stfc.ac.uk. Archivado del original el 25/10/2009.
  3. ↑ Brooks, F. D; Klein, H (2002-01-01). "Espectrometría de neutrones: revisión histórica y estado actual" . Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment . Int. Workshop on Neutron Field Spectrometry in Science, Technology and Radiation Protection. 476 (1): 1– 11. Bibcode : 2002NIMPA.476....1B . doi : 10.1016/S0168-9002(01)01378-X . ISSN 0168-9002 . 
  4. 1 2 Ericsson, Göran (27-02-2019). "Espectroscopia avanzada de neutrones en la investigación de la fusión" . Journal of Fusion Energy . 38 : 330–355 . doi : 10.1007/s10894-019-00213-9 .
  5. ↑ Hashimoto, K.; Nagai, Y. (2014-01-01), "8.14 - Producción de radionúclidos" , en Brahme, Anders (ed.), Física biomédica integral , Oxford: Elsevier, pp. 219–227 , doi : 10.1016/b978-0-444-53632-7.00614-6 , ISBN  978-0-444-53633-4, consultado el 16 de noviembre de 2024
  6. ↑ Goldhagen, P; Reginatto, M; Kniss, T; Wilson, J. W; Singleterry, R. C; Jones, I. W; Van Steveninck, W (2002-01-01). "Medición del espectro de energía de neutrones inducidos por rayos cósmicos a bordo de un avión de gran altitud ER-2" . Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment . Int. Workshop on Neutron Field Spectrometry in Science, Technology and Radiation Protection. 476 (1): 42– 51. Bibcode : 2002NIMPA.476...42G . doi : 10.1016/S0168-9002(01)01386-9 . ISSN 0168-9002 . PMID 12033224 .  
  7. 1 2 3 4 Andreani, Carla; Krzystyniak, Maciej; Romanelli, Giovanni; Senesi, Roberto; Fernández-Alonso, Félix (2 de enero de 2017). "Espectroscopia de neutrones electronvoltios: más allá de los sistemas fundamentales" . Avances en Física . 66 (1): 1– 73. doi : 10.1080/00018732.2017.1317963 . ISSN 0001-8732 . 
  8. ^ Hippert , F., ed. (2006). Espectroscopia de neutrones y rayos X. Dordrecht: Springer. ISBN 978-1-4020-3336-0OCLC 61478231​​ 
  • Espectrómetro de neutrones a bordo de la nave espacial MESSENGER de la NASA .
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