حيود النيوترونات Diffraction of Neutrons

عندما أدخل مفهوم ازدواجية الأشياء كان لا بد من دليل عملي على ذلك. فقد افترض أن هناك خصائصاً جسيمية للموجات وأخرى موجبة للجسيمات. وقد تم اكتشاف وجود منظومة حيود Diffraction battem للنيوترونات عند اختيار بلورة مناسبة (ومن ثم عند طول موجي معين للنيوترونات). لقد وجد أن النيوترونات الحرارية أو البطيئة (ذات الطاقة الأقل من الكترون فولت) يمكنها أن تنتج منظومة حيود عند سقوطها على بلورة معينة، وبالتالي يمكن قياس طاقات هذ النيوترونات. ويلزمنا في هذه الحالة الحصول على مصادر نيوترونات عالية الشدة وبالتالي تعتبر المفاعلات النووية مصادر نموذجية في تجارب الحيود. وهكذا نجد أن حيود النيوترونات يمثل وسيلة مكملة لحيود الأشعة السينية.

يمكن تعيين طول موجة النيوترون باستخدام مبدأ دي بروجلي حيث نجد أن:

وفي حالة النيوترونات الحرارية نجدان سرعتها أصغر كثيراً من سرعة الضوء وبالتالي فإن طاقة حركتها (T) تعطى بالمعادلة التقليدية:

حيث P هي كمية الحركة.

m هي كتلة النيوترون.

وينتج أن:

(1)..............

وهكذا يمكن تقدير طول موجة النيوترون الحراري إذا علمت طاقة حركته (1) وحيث أن هذه الطاقة تساوي حوالي 0.025 أ.ف. فإن معادلة (1) تعطي قيمة  λ في حدود الأنجستروم (A^o).

ويمكن دراسة الحيود في ضوء قانون براغ حيث وجد أن شرط حدوث التداخل البناء يتحقق عندما:

(2)  ........

حيث n هي رتبة التداخل وتأخذ أعداداً صيحة (1 ، 2،..).

d هي المسافة البينية للبلورة.

θ زاوية سقوط الأشعة.

وتبين هذه المعادلة أنه كي يحدث حيود للنيوترونات عند سقوطها على بلورة فإن أطوال موجات هذه النيوترونات يجب أن تقع في حدود المسافة البينية للبلورة. وحيث أن هذه المسافة في كثير من البلورات تقع في حدود لانجستروم فإن هذه المعادلة توضح أن الحيود عن هذه البلورات يحدث للنيوترونات الحرارية. ومن ثم يمكن تقدير أطوال موجاتها ومن ثم طاقتها.

وتعطي سرعة النيوترونات بالعلاقة:

(3)......

ويمكن بناء مطياف بلوري Crystal spectrometer باستخدام نظرية الحيود وذلك لقياس طاقة النيوترونات الحرارية لأغراض إجراء التجارب في المفاعلات النووية. يبين الشكل (1) مطياف بلوري لقياس طاقة النيوترونات الحرارية الناتجة من مفاعل نووي. حيث تخرج النيوترونات من قناة المفاعل ثم تمر من خلال منظمات من الكادميوم وذلك للحصول على شعاع ضيق من النيوترونات التي تسقط بعد ذلك على بلورة مناسبة (من الكالسايت). بينما يوضع كاشف مناسب (كاشف تناسبي يستخدم غاز فلوريد البورون) أمام النيوترونات المنعكسة للكشف عنها.

لاحظ أن النيوترونات المنعكسة تكون ذات طاقات متساوية وذلك حسب معادلة (2).

من التطبيقات المفيدة أيضاً لظاهرة حيود النيوترونات هو استخدامها في التصوير العميق للمركبات الحية وقد تتفوق في ذلك على أشعة x. فقد لا تتمكن أشعة x من إعطاء صورة عن الذرات الهيدروجينية في النسيج الحي. إذ تعطي ظلالاً للتركيبات الصلبة غالباً. أما النيوترونات فإنها حساسة للذرات الهيدروجينية في النسيج ومن ثم سوف تعطي صورة واضحة لتجمعات هذه الذرات المتواجدة في نسيج يحوي ذرات ثقيلة للتجمعات السرطانية وهكذا يتضح دور النيوترونات المميز الذي يمكن أن تلعبه في تطبيقات التشخيص الطبية إذا ما تم بناء آلة تصوير نيوترونية خاصة للكشف عن الأورام السرطانية.