中性子回折法

中性子回折法：物質の構造解明を支える強力なツール

中性子回折法は、物質の原子構造や磁気構造を詳細に解析するための強力な手法です。X線回折法と同様に回折現象を利用しますが、中性子が原子核と相互作用することにより、X線回折法では得られないユニークな情報を提供します。本稿では、中性子回折法の原理、装置、歴史、そしてその広範な用途について解説します。

原理：原子核と中性子の相互作用

中性子回折法の基礎は、中性子が原子核と相互作用することにあります。中性子は、原子核を構成する粒子であり、物質波としての性質も持ちます。適切な波長の中性子線を結晶に入射させると、原子核が回折格子として働き、回折パターンが生じます。この回折パターンを解析することで、結晶構造を決定することができます。

[ブラッグの法則]]（2d sinθ = nλ）に従い、格子定数d、入射角θ、整数n、波長λの関係が回折条件となります。X線回折法と比較して、中性子線の物質内部への侵入深さがはるかに大きいため、バルク試料の内部構造の情報も得られます。また、X線回折法では検出が難しい軽元素、特に水素原子を高い精度で検出できる点が大きな特徴です。中性子は原子番号ではなく、原子核と相互作用するため、同位体間でも散乱強度が異なり、[[水素]と重[水素]を区別することも可能です。

さらに、中性子はX線とは異なり、電子雲と直接相互作用しないため、散乱因子の影響を受けにくく、高角での測定や低温実験でも高品質な回折パターンを得ることができます。このため、多くの装置には低温実験のための冷却装置が備わっています。

装置：中性子源と検出器

中性子回折実験には、中性子源、回折計、試料、検出器が必要となります。中性子源としては、原子炉や核破砕型中性子源が用いられます。原子炉からの定常的な中性子線は、モノクロメーター結晶などで必要な波長の中性子線を取り出します。一方、核破砕型中性子源はパルス状の中性子線を出力し、飛行時間法（TOF法）を用いて波長を選別します。

X線回折法に比べて、中性子回折法では一般的に大きな試料が必要となります。粉末試料を用いることが多く、得られた回折パターンをリートベルト解析などの手法で解析し、結晶構造を決定します。

歴史：中性子回折の黎明期

中性子回折法の実験は、1945年にアーネスト・ウォランによって初めて行われました。その後、クリフォード・シャルとの共同研究により、その基本原理が確立され、様々な物質への応用が進みました。氷の構造や磁気構造の研究など、多くの成果を上げ、シャルは1994年にノーベル物理学賞を受賞しました（ウォランは既に逝去）。

用途：軽元素分析の強力なツール

中性子回折法は、軽元素、特に水素を含む物質の構造解析に威力を発揮します。タンパク質などの生体高分子や、水素吸蔵材料などの研究に広く用いられています。X線回折法では検出が困難な水素原子について、中性子回折法ではその位置や熱的挙動を正確に捉えることが可能です。

特に水素は、同位体である重水素と散乱長が大きく異なるため、同位体置換法を用いることで、複雑な構造の中で特定の元素の挙動を詳細に解析できます。この手法は、生体分子における水素結合の研究など、様々な分野で利用されています。しかしながら水素の散乱強度は大きな非弾性成分を持つため、散乱角度に無関係な大きなバックグラウンドが生じ、Bragg反射がバックグラウンドに埋もれてしまう場合があります。

まとめ

中性子回折法は、X線回折法を補完する強力な構造解析手法です。特に軽元素の検出に優れ、物質科学、材料科学、生命科学など、幅広い分野で重要な役割を果たしています。今後ますますその重要性が増すと予想されます。

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