中性子散乱

中性子散乱（neutron scattering）とは、中性子線が物質を通過する際に、物質を構成する原子核やその周囲の磁場と相互作用し、進行方向や運動エネルギーが変化する現象全般を指します。

電気的に中性である中性子は、荷電粒子である電子やイオンと異なり、物質内部深くまで容易に侵入することができます。また、熱中性子の波長が物質の原子間距離と同程度であること、そして中性子がスピンを持つことによって磁気モーメントを持つことから、中性子散乱は物質の構造（原子配列、磁気構造）やダイナミクス（原子やスピンの動き）を微視的なレベルで調べるための極めて強力なプローブとなります。

中性子散乱の主な原因は、原子核による散乱と、中性子の磁気モーメントと物質内部の磁場との相互作用による磁気散乱の二つに大別されます。電子による散乱もごくわずかに存在しますが、通常は他の寄与に比べて非常に小さいため無視されることが多いです。

原子核散乱

中性子と物質を構成する原子核との間に働く強い相互作用によって引き起こされる散乱です。この相互作用は、大きく分けて二つの要素から構成されます。

一つはポテンシャル散乱と呼ばれるもので、これは中性子と原子核が互いのポテンシャルの範囲内で弾性的に衝突するような、比較的単純な過程と見なすことができます。ポテンシャル散乱の強さは、概ね原子核の大きさに比例すると考えられます。

もう一つは共鳴散乱です。こちらは、入射した中性子が一時的に原子核に捕捉され、不安定な複合核を形成した後、再び中性子などが放出されるという、より複雑な共鳴的な過程を含みます。共鳴散乱は、中性子の入射エネルギーや原子核の種類、特に原子核が持つスピンの状態に強く依存します。中性子と原子核の間の相互作用の強さは、散乱長（散乱振幅）と呼ばれる量で表されます。この散乱長には、ポテンシャル散乱と共鳴散乱の両方の寄与が含まれており、複合核形成の過程を反映しています。理論的には、特定の近似のもとでは、原子核による中性子の散乱ポテンシャルは、原子核の位置に局在したデルタ関数型のポテンシャルとして記述されることがあります。

原子核散乱の測定は、物質の原子が空間内にどのように配置されているか、すなわち結晶構造や非晶質物質の構造を詳細に解析するために広く用いられています。特に、X線を用いた構造解析では検出が難しい水素原子や軽い元素の位置を決定するのに有効です。また、同位体置換を用いることで、特定の種類の原子からの散乱信号を強調するといった手法も可能です。

磁気散乱

中性子は自身が小さな磁気モーメントを持っています。この磁気モーメントが、物質中の電子のスピンなどが作り出す局所的な磁場と相互作用することによって起こるのが磁気散乱です。磁気散乱の強さや散乱のパターンは、物質内部の磁気モーメントがどのように空間的に配列しているか（磁気構造）や、磁気モーメントが時間的にどのように変動しているか（磁気励起、例えばスピン波など）に強く依存します。

したがって、磁気散乱実験を行うことで、物質がどのような磁気秩序を持っているのか（強磁性、反強磁性、らせん磁性など）、あるいは外部磁場や温度によって磁気構造がどのように変化するのかといった、物質の磁気的な性質に関するミクロな情報を得ることができます。これは、磁性材料、超伝導体、多強誘電体などの研究において、物質の機能発現メカニズムを理解するために不可欠な手段となっています。

弾性散乱と非弾性散乱

中性子散乱実験は、散乱前後で中性子のエネルギーが変化しない弾性散乱と、エネルギーが変化する非弾性散乱に大きく分けられます。弾性散乱からは、主に物質の静的な構造（原子配列、磁気構造など）に関する情報が得られます。一方、非弾性散乱からは、物質中の原子やスピンの振動、拡散といったダイナミクスに関する情報が得られます。非弾性散乱のデータ解析においては、物質の動的な応答特性を記述する動的構造因子が中心的な役割を果たします。

関連概念

中性子散乱現象の理解と、実験データの解析には、量子力学的な散乱理論が基礎となります。散乱強度や散乱断面積の計算には、しばしばボルン近似のような近似手法が用いられます。また、散乱角とエネルギー移動の関係を示す散乱則なども、非弾性散乱データの解釈に重要な概念です。

中性子散乱は、結晶学、固体物理学、化学、生物学、材料科学など、幅広い分野で物質のミクロな世界を探るための強力な道具として活用されています。

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