Большая Советская Энциклопедия (НЕ) - БСЭ БСЭ

  В Н. к. с регистрацией g-квантов применяются сцинтилляционный счётчик и полупроводниковые детекторы , обладающие высокой разрешающей способностью. Измерение спектра g-квантов радиационного захвата позволяет осуществлять элементный анализ горных пород. Используя при этом импульсный Н. к., удаётся определять и спектр g-лучей, возникающих при неупругом рассеянии нейтронов на ядрах. Такой вариант Н. к. сулит возможность выделения нефтеносных пластов по содержанию С, т. е. независимо от наличия солей в пластовых водах.

  В СССР Н. к. входит в комплекс обязательных геофизических работ, проводимых на всех скважинах, вводимых в строй. Н. к. применяется также для поиска пропущенных нефтяных горизонтов в старых скважинах.

  После облучения породы нейтронами в ней возникает радиоактивность, измерение которой даёт также информацию о составе породы (нейтронно-активационный каротаж). Основанные на этом методы Н. к. применяются при поиске полезных ископаемых и в др. геологических исследованиях.

  Лит.: Pontecorvo В., Neutron well logging new geological method based on nuclear physics, «Oil and Gas Journal», 1941/42, v. 40, № 18; Филиппов Е. М., Прикладная ядерная геофизика, М., 1973; Основы импульсного нейтрон-нейтронного каротажа, М., 1965; Арцыбашев В. А., Ядерно-геофизическая разведка, М., 1972.

  Б. Г. Ерозолимский.

Рис. к ст. Нейтронный каротаж.

Нейтронография

Нейтроногра'фия (от нейтрон и ...графия ), метод изучения строения молекул, кристаллов и жидкостей с помощью рассеяния нейтронов. Сведения об атомной и магнитной структуре кристаллов получают из экспериментов по дифракции нейтронов (см. Дифракция частиц ), о тепловых колебаниях атомов в молекулах и кристаллах — из экспериментов по рассеянию нейтронов, при котором нейтроны обмениваются энергией с изучаемым объектом (рассеяние в этом случае называется неупругим). Первые работы в области Н. принадлежат в основном Э. Ферми (1946—48); главные принципы Н. были впервые изложены в 1948 в обзоре американских учёных Э. Уоллана и К. Шалла.

  Нейтронографический эксперимент осуществляется на пучках нейтронов, выпускаемых из ядерных реакторов (предполагается использование для целей Н. ускорителей электронов со специальными мишенями). На рис. 1, а приведена типичная установка для нейтронографических исследований. Нейтронографическая аппаратура (дифрактометры, нейтронные спектрометры разных типов и т.д.) размещается в непосредственной близости от реактора на пути нейтронных пучков. Плотность потока нейтронов в пучках самых мощных реакторов на несколько порядков меньше плотности потока квантов рентгеновской трубки, поэтому нейтронографическая аппаратура, нейтронографический эксперимент сложны; по этой же причине используемые в Н. образцы существенно крупнее, чем в рентгенографии. Эксперименты могут проводиться в широком интервале температур (от 1 до 1500 К и выше), давлений, магнитных полей и др.

  На рис. 1, б приведена нейтронограмма поликристаллического образца BiFeO3 (зависимость интенсивности рассеяния I нейтронов от угла рассеяния J). Нейтронограмма представляет собой совокупность максимумов когерентного ядерного или магнитного рассеяния (см. ниже ) на фоне диффузного рассеяния.

  Успешное использование Н. обусловлено удачным сочетанием свойств нейтрона как элементарной частицы. Современные источники нейтронов — ядерные реакторы — дают тепловые нейтроны широкого диапазона энергий с максимумом в области 0,06 эв. Соответствующая этой энергии де-бройлевская длина волны нейтронов (~ 1 ) соизмерима с величиной межатомных расстояний в молекулах и кристаллах, что делает возможным осуществление дифракции нейтронов в кристаллах; на этом основан метод структурной нейтронографии. Соизмеримость энергии тепловых нейтронов с энергией тепловых колебаний атомов и молекулярных групп в кристаллах и жидкостях обеспечивает оптимальное использование неупругого рассеяния нейтронов в нейтронной спектроскопии. Наличие у нейтрона магнитного момента, который может взаимодействовать с магнитными моментами атомов в кристаллах, позволяет осуществить магнитную дифракцию нейтронов на магнитоупорядоченных кристаллах, что является основой магнитной нейтронографии.

  Структурная нейтронография — один из основных современных методов структурного анализа кристаллов (вместе с рентгеновским структурным анализом и электронографией ). Геометрическая теория дифракции всех трёх излучений — рентгеновских лучей, электронов, нейтронов — одинакова, но физическая природа взаимодействия их с веществом различна, что определяет специфику и области применения каждого из методов. Рентгеновские лучи рассеиваются электронными оболочками атомов, нейтроны (через короткодействующие ядерные силы) — атомными ядрами, электроны — электрическим потенциалом атомов. Вследствие этого структурная Н. имеет ряд особенностей. Рассеивающая способность атомов характеризуется атомной амплитудой рассеяния f . Особый характер взаимодействия нейтронов с ядрами приводит к тому, что атомная амплитуда рассеяния нейтронов f н (обычно её обозначают буквой b ) для различных элементов (в отличие от f рентгеновских лучей) несистематическим образом зависит от порядкового номера Z элемента в периодической системе. В частности, рассеивающие способности лёгких и тяжёлых элементов оказываются одного порядка. Поэтому изучение атомной структуры соединений лёгких элементов с тяжёлыми является специфической областью структурной Н. Прежде всего это относится к соединениям, содержащим легчайший элемент — водород. Рентгенографически и электронографически в некоторых благоприятных случаях удаётся определить положение атомов водорода в кристаллах его соединений с др. лёгкими атомами (с Z £ 30). Нейтронографически определение положения атомов водорода не сложнее, чем большинства др. элементов, причём существенная методическая выгода достигается заменой в изучаемой молекуле атомов водорода на его изотоп — дейтерий. С помощью Н. определена структура большого числа органических соединений, гидридов и кристаллогидратов, уточнена структура различных модификаций льда, водородсодержащих сегнетоэлектриков и т.д., что дало ряд новых данных для развития кристаллохимии водорода.

  Др. область оптимального использования Н. — исследование соединений элементов с близкими Z (для рентгеновских лучей такие элементы практически неразличимы, так как их электронные оболочки содержат почти одинаковые числа электронов), например соединений типа шпинели MnFe2 O4 , сплавов Fe—Co—Ni и др. Предельный случай — исследование соединений разных изотопов данного элемента, которые рентгенографически абсолютно неразличимы, а для нейтронов различаются так же, как разные элементы.

  В структурной Н. из эксперимента находят интенсивности максимумов когерентного рассеяния l (hkl ) (где h, k, I — кристаллографические индексы Миллера), связанные со структурными амплитудами F (hkl ) определёнными соотношениями (см. Рентгеновский структурный анализ ). Далее с помощью рядов Фурье, коэффициенты которых являются величины F (hkl ), строится функция ядерной плотности r(x , у, z ). Суммирование рядов (как и большинство др. вычислений в структурном анализе) осуществляется на быстродействующих ЭВМ по специальным программам. Максимумы функции r(x , у, z ) соответствуют положениям ядер атомов.

  Для примера на рис. 2, а приведена проекция ядерной плотности части элементарной ячейки кобальтпроизводного витамина B12 ; на этой проекции центральный атом ядра молекулы — атом кобальта — имеет минимальное значение b (является самым «лёгким») по сравнению с остальными атомами (азота, углерода, кислорода и даже водорода), вследствие чего оказывается возможной более точная локализация всех атомов. На рис. 2, б приведена ядерная плотность в концевой метильной группе CH3 ; атомы водорода четко выявляются на рис . в виде минимумов, что связано с отрицательным значением b для протонов.

  Имеются некоторые различия в природе результатов, получаемых рентгено- и нейтронографически: в первом случае экспериментально определяется положение центра тяжести электронного облака атома, во втором — центра тяжести центроида тепловых колебаний ядра. В некоторых прецизионных экспериментах это приводит к различию в межатомных расстояниях, полученных методами рентгенографии и Н. С др. стороны, такое различие может быть использовано в исследовании распределения деталей электронной плотности в молекулах и кристаллах, ответственных за ковалентную химическую связь (рис. 3 ), неподелённую пару электронов и др.