中子看原子,和 X 射线不一样
中子被原子核散射,一个原子散射中子的强弱,并不简单地随原子序数增加。X 射线的原子散射振幅在小角度、远离吸收边时大致随电子数增加,实际对比仍与散射角和光子能量有关。同一元素的不同同位素,散射中子的能力也可能差得很远。Shull 在讲稿中回顾,早期中子源太弱,后来有了反应堆束流,衍射才真正用得上。Wollan 和合作者对装置和测量都不可或缺。
中子还带磁矩,磁散射能显示样品里有序排列的磁矩,以及它们怎样排列。所以一张衍射图里的峰可能来源不同,要先分清楚;把每个峰都当成原子核的位置,就可能认错磁序。
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弹性峰指向原子排列
弹性散射中,中子带着入射时的能量离开,差别在仪器分辨率以内。动量转移的方向和峰的强度,限定了周期结构。每种原子的贡献按核散射长度计算,磁散射则用磁形状因子,不能照搬其他探针的散射权重。
分辨率有限,足够慢的涨落也会落进弹性窗口。所以一个峰叫弹性峰,并不证明每个原子都静止。要从这些峰精修出结构,还需要成分、对称性、背景,以及一个合乎物理的散射模型。
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Brockhouse 测出留给样品的能量
三轴谱仪先用一块晶体挑出入射能量,中子在样品上散射后,再用第二块晶体挑出出射能量。各轴的转角决定动量转移和能量转移。Brockhouse 的讲稿介绍了早期装置,也介绍了后来固定动量转移的测量方法。
声子和磁振子的分支,要在这些动量、能量坐标里一路追踪峰位才能得到,单看一张晶体图像看不出来。式中波矢转移取入射减出射,两个波矢的单位都是长度的倒数;能量转移为正,表示能量交给了样品。中子按非相对论处理。
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分辨率和计数率决定能看到哪些激发
单色器和分析晶体的镶嵌度、准直以及各个角度设置,让每次测量在动量和能量上都有一块模糊范围,叫作分辨体积。所以实测线宽里含有仪器展宽。中子源弱或接收范围窄,计数时间就会拉长,真实存在的激发也可能被淹没。
Brockhouse 和 Shull 因两种互补的技术共享 1994 年的奖。把电子衍射 Lab 里的粒子换个名字叫中子,并不能再现他们的工作:相互作用强度、磁耦合、能量选择和数据解读都不一样。
在 Brockhouse 的图里找到分析晶体
在 Brockhouse 的图 3 中找出两块晶体和样品,再和 Shull 的衍射装置对照。所链倒易空间模型只提供几何部分。真正的中子模型还需要随同位素变化的散射振幅,以及测量、记录能量转移的完整流程。