中性子分光法

中性子分光法は、放出された中性子の運動エネルギーを測定することで原子および磁気の運動を測定する分光法である。測定される中性子は、直接放出される場合もあれば（例えば、核反応によって）、検出器に到達する前に冷却物質で散乱される場合もある。非弾性中性子散乱は、サンプルから散乱する中性子のエネルギーと波数ベクトルの変化を観測する。^[1]これを使用して、原子の運動（拡散またはホッピング）、分子の回転モード、音響モードと分子振動、量子流体の反跳、磁気励起と量子励起、さらには電子遷移など、さまざまな物理現象を調べることができる。[ ^2]

中性子分光法は発見以来、放射線防護や放射線治療に応用され、医療の分野で有用となっている。^[3] また、中性子スペクトルは核融合実験にも利用されており、核融合の総出力に加えて、プラズマの温度、密度、組成を推測するために使用されている。^[4]

中性子分光法は、数百分の1電子ボルト^{[5]から数十メガ電子ボルト[4]}までの幅広い中性子エネルギーで日常的に実施されています。現在の研究の多くは、これらの能力をより高いエネルギーに拡張することに焦点を当てています。2001年、米国の研究者は最大100ギガ電子ボルトのエネルギーを持つ中性子を測定することができました^[6]

中性子を使用してさまざまな特性を調べることができる散乱相互作用には、核散乱（コヒーレント散乱）、スピン依存核散乱（非コヒーレント散乱）、および中性子と不対電子の双極子場との間の磁気双極子相互作用の 3 種類があります。ほとんどの場合、コヒーレント散乱と非コヒーレント散乱は分子の特性を調べるために使用されます。

これらの散乱相互作用により、並進運動や回転運動などの液体水中の拡散運動を調べることができます。この動作に関連するエネルギーは約 1 meV のオーダーです。中性子分光法は、分子間および分子内の振動モードを調べるためにも使用できます。このような移動に関連するエネルギーは約 400～500 meV であり、この方法で可能なエネルギー範囲内です。^[7]

最初のタイプの相互作用は、中性子が極めて短距離の核力を介して原子核と相互作用するときに発生する核散乱です。波長λは、数オングストローム（Å）のオーダーです。熱中性子は原子核の内部構造を「見る」ことができないため、散乱は等方性であると考えられます。したがって、この相互作用は散乱長bによって特徴付けられ、これは原子核のサイズ（10 ^-15 m）と同じオーダーです。したがって、核散乱により、原子核内の核子の密度相関を調べることができます。^{[7] [8]}

2 つ目のタイプの相互作用はスピン依存核散乱であり、これは中性子と核の相互作用が散乱イベント中に形成される全スピン (中性子のスピン ½ と核のスピン I) に依存する場合です。したがって、2 つの可能な状態は I + ½ と I – ½ になります。このスピン依存性により非干渉性散乱が発生し、単一粒子の運動の調査や超低温での核スピンの秩序化の研究が可能になります。^{[7] [8]}

3番目のタイプの相互作用は、中性子の磁気双極子モーメントと不対電子からの双極子場との間の相互作用である。これにより、不対電子と中性子の全スピンを調べることができる。1つの電子からの磁気散乱長はb _m = 𝛾r ₀ = 1.348 fmであり、これは核散乱長と同じ桁である。相互作用の双極子-双極子特性のため、散乱は異方性であると考えられる。^[7]

• 中性子回折
• ラマン散乱
• ネスト型中性子分光計

• NASA の MESSENGER 宇宙船に搭載された中性子分光計。