В среду 10 декабря в рамках проекта «Публичные лекции Полит.ру» выступил директор Института неорганической химии Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена, заведующий кафедрой химии твердого тела и квантовой химии, профессор Ричард Дронсковски (Richard Dronskowski). Тема его лекции «Химия и нейтроны».
Напомнив в начале лекции слушателям об истории открытия нейтронов, Ричард Дронсковский посвятил свой дальнейший рассказ использованию нейтронов в современных исследованиях структуры вещества.
В начале XX века выдающимся прорывом в науке стало создание дифракционного анализа, позволившего определять структуру кристаллов. Это стало возможным, благодаря открытию рентгеновских лучей. Вильгельм Конрад Рентген сделал это в конце 1895 года, а уже в 1912 году Макс фон Лауэ понял, что, если длина волны рентгеновского излучения сравнима с расстоянием между атомами в кристаллической решетке, то при прохождении луча через кристалл должна наблюдаться дифракция. Лучи будут отклоняться на строго определенное расстояние. Ученики фон Лауэ Вальтер Фридрих и Пауль Книппинг провели опыт, который подтвердил это предположение. Британские исследователи Уильям Генри Брэгг и Уильям Лоренс Брэгг (отец и сын) также работали с рентгеновскими лучами. Именно они научились по дифракционной картинке определять положение атомов. В итоге, благодаря всем этим ученым возник рентгеноструктурный анализ.
Но использование дифракции для изучения структуры вещества на этом не остановилось. Рентгеновское излучение – это поток фотонов. Если мы используем фотоны, почему бы не использовать электроны? Их длина волны тоже годится для появления дифракции. И такой метод действительно появился. Его часто называют «электронографией». Экспериментально открыть дифракцию электронов на кристаллах и создать электронографию удалось американцу Клинтону Джозефу Дэвиссону и британцу Джорджу Паджету Томсону.
Наконец, появился третий дифракционный метод – тот, который в данный момент больше всего интересует Ричарда Дронсковски. Поскольку нейтрон тоже может рассматриваться как волна, а длина его волны сопоставима с межатомными расстояниями, дифракция при облучении кристалла потоком нейтронов также возможна. Ее открыли уже к началу 1950-х годов Клиффорд Шалл и Бертрам Брокхауз. Отметим, что открыватели все трех дифракционных методов: рентгеновского, электронного и нейтронного – получили Нобелевские премии по физике. А вот гамма-излучение в дифрактометрии использовать не удастся – длина волны слишком мала.
У нейтронной дифракции есть важные отличия от рентгеновской и электронной. Нейтроны рассеиваются не на электронных оболочках атомов, а на атомных ядрах. Это дает ряд преимуществ. Амплитуда рентгеновской и электронной дифракции зависит от заряда атома, на котором происходит рассеяние. Поэтому положение легких атомов, например, водорода, этими способами определить трудно. Также очень трудно на рентгеновском рефрактометрии различить ядра обычного водорода и дейтерия, отличающиеся только отсутствием и наличием нейтрона (1H и 2H). Нейтронные дифрактометры одинаково хорошо определяют положение тяжелых и легких ядер, а также способен различать изотопы.
Например, у гуанидина, который был синтезирован еще в 1861 году, формула выглядит очень простой: CH5N3. Однако расшифровать кристаллическую структуру гуанидина смогли при помощи нейтронной дифрактометрии лишь в 2009 году. Статья об этом была опубликована в журнале Chemistry – A European Journal группой ученых из Университета Тохоку (Япония) под руководством Такахиро Ямады и из Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена под руководством Ричарда Дронсковски. И лишь в 2013 году более совершенный метод нейтронной дифрактометрии позволил Ричарду Дронсковски и его коллегам окончательно определить положение атомов водорода в молекуле гуанидина и определить колебания атомов в этой молекуле. Статья об этом вышла в журнале Crystal Growth and Design.
Среди других преимуществ применения нейтронов – возможность исследовать вещества, не имеющие кристаллического строения. Также нейтронная дифрактометрия – единственная из трех дифрационных методов, который позволяет установить распределение магнитный моментов у атомов вещества. Это возможно благодаря тому, что нейтрон имеет собственный магнитный момент, возникающий благодаря спину нейтрона равному 1/2. Именно нейтронные дифрактометры позволили открыть новые классы магнитных материалов: антиферромагнетики и ферримагнетики.
Важнейший компонент нейтронного дифрактометра – детектор, который регистрирует пролетевшие через исследуемый образец нейтроны. Лучший материал для обнаружения нейтронов – изотоп гелий 3He. При столкновении ядра гелия-3 с протоном оно расщепляется: n + 3He → 3H + 1H. Продукты этой реакции легко регистрируются, например, счетчиком Гейгера. Но в США – основным поставщике гелия на мировой рынок – еще при президенте Буше – были введены ограничения на экспорт гелия-3. Это затормозило развитие детекторов нейтронов во всем мире. Теперь применяются и другие элементы, например изотоп бора 10B. При его столкновении с нейтроном образуется литий-7 и альфа-частица (ядро гелия-4): n + 10B → 7Li + 4He.
Центром опытов по нейтронной физике в Германии служит FRM II (Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz). Это исследовательский реактор, расположенный городе Гархинг, который граничит с Мюнхеном. Гархинг – крупный научный центр, где помимо FRM II находятся несколько других институтов. Благодаря реактору FRM II в Германии ставятся опыты по нейтронной дифрактометрии.
Сейчас Ричард Дронсковски и его коллеги работают над проектом нейтронного дифрактометра нового поколения. Он будет называться POWTEX. Его разработка ведется с 2007 года, а первые эксперименты на нем ученые надеются провести в 2016 году. Этого момента с нетерпением ждут немецкие специалисты по физике твердого тела, химии, наукам о материалах и другие исследователи. В нейтронном детекторе POWTEX будет использован бор-10. Для обработки дифракционной картинки создается специальный компьютерный алгоритм. Помимо высокой точности POWTEX будет отличаться большой скоростью работы, не уступая рентгеновским дифрактометрам. Пока нейтронная дифрактометрия по этому показателю значительно уступают рентгеновской.
