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中性子散乱とは、自由中性子が物質によって不規則に散乱される現象であり、自然界で起こる物理過程そのものを指す場合もあれば、その自然過程を利用して物質を研究する人工的な実験手法を指す場合もある。自然現象としての中性子散乱は、原子力工学および原子力科学において極めて重要な基礎となる。実験手法としての中性子散乱の理解と操作は、結晶学、物理学、物理化学、生物物理学、材料研究といった分野における応用において不可欠である。
中性子散乱は、さまざまな強度の中性子放射線を提供する研究炉や核破砕中性子源で実施されます。中性子回折（弾性散乱）技術は構造解析に用いられ、非弾性中性子散乱は原子振動やその他の励起の研究に用いられます。
「高速中性子」は、1 MeVを超える運動エネルギーを持つ。これらの高速中性子は、運動エネルギーが1 eVをはるかに下回る凝縮物質（原子核）によって散乱される。これは、静止粒子との弾性衝突の有効な実験的近似となる。衝突のたびに、高速中性子はその運動エネルギーのかなりの部分を散乱原子核（凝縮物質）に伝達する。原子核が軽いほど、伝達されるエネルギーは大きくなる。そして、衝突のたびに、高速中性子は散乱された物質と熱平衡に達するまで減速される。
中性子減速材は、運動エネルギー が 1 eV未満 (T < 500K) の熱中性子を生成するために使用されます。 [ 1 ]熱中性子は、原子炉内で核連鎖反応を維持するため、また中性子散乱実験やその他の中性子科学の応用における研究ツールとして使用されます。この記事の残りの部分は、熱中性子の散乱に焦点を当てています。
中性子は電気的に中性であるため、同程度の運動エネルギーを持つ帯電粒子よりも物質の奥深くまで浸透し、電子顕微鏡などの荷電粒子ビームを用いる方法に比べて、物質の全体的な特性を調べるためのプローブとして価値がある。
波長が似ているX線光子は、電磁結合を介して原子核を取り巻く電子雲と相互作用するのに対し、中性子は正味の電荷がゼロであるため、主に原子核自体と相互作用する。中性子と原子核の相互作用は、フェルミの擬ポテンシャルによって記述される。
中性子は、電子の約 0.1% 程度ではあるものの、大きな磁気モーメントを持っています。それでも、凝縮物質内部の局所磁場から散乱するのに十分な大きさであり、弱い相互作用によって秩序だった磁気構造や電子スピンのゆらぎを透過するプローブとなります。不対電子は磁気モーメントを持ちますが、対電子は持たないため、中性子は磁気双極子-双極子相互作用によって不対電子から散乱し、不対電子を選択的に測定することができます。[ 2 ]これは、一般的に電子から散乱する X 線とは対照的です。
熱中性子は、典型的な固体における原子間距離に近い波長と、典型的な固体における基本振動励起に近いエネルギーを持つ。このため、熱中性子散乱を用いることで、固体の構造と動態を同時に測定することが可能となる。
中性子散乱断面積と吸収断面積は、同位体によって大きく異なります。中性子散乱は、同位体によって非干渉性または干渉性になります。これにより、中性子散乱は試料中の同位体変動を測定することができます。すべての同位体の中で、水素は最も高い散乱断面積を持ちます。炭素や酸素などの重要な元素は、中性子散乱で非常によく観察されます。これは、断面積が原子番号とともに系統的に増加するX線散乱とは著しく対照的です。したがって、中性子は、タンパク質や界面活性剤など、原子番号の小さい物質の分析に使用できます。これはシンクロトロン光源で行うことができますが、非常に高い強度が必要であり、構造が変化する可能性があります。原子核は、同位体ごとに等方性ポテンシャルがランダムに変化するため、非常に短い範囲を提供します。これにより、（散乱）コントラストを実験に合わせて調整することが可能になります。
散乱はほぼ常に弾性散乱と非弾性散乱の両方の成分から構成されます。弾性散乱の割合は、デバイ・ウォーラー因子またはメスバウアー・ラム因子によって決定されます。研究課題に応じて、ほとんどの測定は弾性散乱または非弾性散乱のいずれかに焦点を当てます。
中性子ビームの正確な速度、すなわち正確なエネルギーとド・ブロイ波長を実現することは重要である。このような単一エネルギービームは「単色」と呼ばれ、単色性は結晶モノクロメーターまたは飛行時間（TOF）分光計によって実現される。飛行時間法では、中性子は2つの回転スリットを順番に通過し、特定の速度の中性子のみが選択されるようにする。中性子の高速パルスを生成できる核破砕中性子源が開発されている。このパルスには様々な速度またはド・ブロイ波長の中性子が含まれるが、散乱された中性子の個々の速度は、試料と中性子検出器間の中性子の飛行時間を測定することによって後で決定できる。
非弾性中性子散乱は、原子や分子の運動、磁場や結晶場の励起を研究するために凝縮系物質研究で一般的に用いられる実験手法である。 [ 3 ] [ 4 ]この手法は、中性子と試料との衝突が非弾性衝突である場合に生じる運動エネルギーの変化を解析することで、他の中性子散乱手法と区別される。結果は一般的に動的構造因子（非弾性散乱法則とも呼ばれる）として伝えられる。動的感受性とも呼ばれる散乱ベクトルは入射波ベクトルと出射波ベクトルの差であり、は試料が経験するエネルギー変化（散乱中性子のエネルギー変化の負の値）です。結果を の関数としてプロットすると非弾性中性子散乱は特殊な分光法とみなせるため、それらは従来の分光技術で得られたスペクトルと同じように解釈できる場合が多い。
非弾性散乱実験では通常、入射ビームまたは出射ビームの単色化と、散乱された中性子のエネルギー解析が必要です。これは、飛行時間法（中性子飛行時間散乱）または単結晶からのブラッグ反射（中性子三軸分光法、中性子後方散乱）のいずれかによって行うことができます。エコー法（中性子スピンエコー、中性子共鳴スピンエコー）では、中性子の振幅に加えて量子力学的位相も利用するため、単色化は必要ありません。
最初の中性子回折実験は1930年代に行われた。[ 1 ]しかし、高中性子束が可能になり、詳細な構造調査が可能になったのは、原子炉の出現により1945年頃になってからだった。最初の中性子散乱装置は、多目的研究炉のビームチューブに設置された。1960年代には、ビームチューブ実験に最適化された高中性子束原子炉が建設された。この開発は、現在までに最高の中性子束を達成したラウエ・ランジュバン研究所の高中性子束原子炉（1972年から稼働）で頂点に達した。いくつかの高中性子源の他に、大学やその他の研究機関には約20の中中性子束原子炉源があった。1980年代から、これらの多くの中中性子束源が閉鎖され、研究は世界をリードする少数の高中性子束源に集中した。
今日、ほとんどの中性子散乱実験は、正式な提案手続きを通じて中性子源のビームタイムを申請する研究者によって実施されています。中性子散乱実験では計数率が低いため、使用可能なデータセットを得るには通常、比較的長い期間（数日単位）のビームタイムが必要です。提案は、実現可能性と科学的関心に基づいて評価されます。[ 5 ]
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