Fizikai Nobel-díj
Anyagvizsgálat neutronszórással



Az 1994. évi fizikai Nobel-díjat C. G. Shull és B. N. Brockhouse kapták megosztva a neutron-anyagvizsgálat módszerének kidolgozásában kifejtett úttörő fontosságú munkásságuk elismeréseképpen.
 
Bertram N. Brockhouse Cliff G. Schull

Az a tény, hogy most mintegy fél évszázaddal ezelőtt megkezdődött vizsgálatsorozat elindítóit érte a díj megtiszteltetése, egyfelől azt a korszakalkotó fontosságú anyagvizsgálati módszert minősíti, ami azóta kimagasló történeti érdemeket szerzett. Így tehát a Nobel-bizottságnak bizonyára adósságtörlesztési szándék is motiválhatta a döntését. Ilyesmi már előfordult néhány alkalommal a díj történetében. Másfelől azonban ez a tény azt is tükrözi, hogy a Bizottság szándékát nem nagyon terelték el erről a témáról a közelmúlt más, még annyira látványos-hangzatos szenzációk pl. a részecskefizika területéről. Bizonyára azért, mert az a témakör “jól áll” már a díjazásban, az “új” eredmények talán “csak” folyományai korábbi díjjal már koronázott kutatásoknak. Mindenképpen az a benyomásunk, hogy most ismét az amerikai klasszikus kutatás érdemeit ismerték el. Azt az amerikai (és kanadai, mindenképpen újvilági) fizikát, amely a világháború után alap- és alkalmazott kutatásban egyaránt világméretű meghatározó tényezővé nőtte ki magát.

Neutronokkal a mágnesség titkai nyomában

A mágnesség a szilárd testeknek olyan tulajdonsága, amely valahogyan az atomokban mozgó elektronok köráramaival (diamágnesség), ill. az elektronok mint nemcsak töltések, hanem saját mágneses nyomatékkal bíró elemi részek csoportos rendeződésével kapcsolatos jelenségkör (ferromágnesség). Ez a felismerés szükségképpen, az elektronspin felfedezését követően,  a húszas évek végén születhetett csak meg. A neutronok felfedezése (1931) majd a nyalábok előállítása természetes neutronforrásokból, ill. később atomreaktorokból, lehetővé tette többek között ennek a koncepciónak a kísérleti ellenőrzését. De erre lényegében mégis a negyvenes évek végéig kellett várni. Mindenesetre Shull nevét már ott találjuk az első olyan kutatási jelentéseken, amelyek akkor e témával foglalkoztak. Az eljárás lényege, hogy a neutronnyaláb a neutronok mágneses nyomatéka miatt érzékeny a szilárd test szerkezetében az elektronok kompenzálatlan mágneses nyomatékaira, viszont a neutron töltéssemlegessége folytán aránylag zavartalanul képes a szilárd test rácsában lévő elektronfelhőben közlekedni. A neutronszórás vizsgálata polikristályos MnO mintán, amivel Shull kísérleti kutatásai elkezdődtek, éppen ezért tudta a fizikusokat megtanítani arra, hogy a kristályszerkezetbe “belenézve” meglássák a mágneses tulajdonságokról árulkodó jeleket. A MnO polikristály vizsgálatában Shull és Ernie O. Wollan igazolni tudta pl. azokat a szilárdtestfizikai elméleti jóslatokat, amiket Néel (Nobel-díj 1970-ben) az antiferromágneses jelenségről, ill. Halpern és Johnson a kompenzálatlan spinű elektronokról már a harmincas évek végén megtettek.
Míg Shull Oak Ridge-ben dolgozott, az ott épült grafitos reaktorból nyert neutronnyalábbal szóráskísérletekkel meg tudták határozni bizonyos kristályszerkezetekben a hidrogén-atomok elhelyezkedését is. Ebben a kutatási irányban a neutronoknak – amik a pozitív töltésű protonnal, a H-atom magjával kb. egyenlő tömegű “nehéz” részecskék – sikerült a hidrogénen jelentősen szóródni, szemben a korábbi próbálkozásokban kényszerűen alkalmazott röntgensugárzással.
Shull az MIT-ben folytatta a neutronszórási kísérleteit, de már arra is lehetősége nyílt a módszer titkainak felismerése során, hogy polarizált neutronnyalábok szórásaival finomítsa eljárását. Ebben a technikában arról van szó, hogy a neutronnyalábban a haladási irányhoz képest a neutronok mágneses nyomatékai nem összevissza, hanem valamilyen előre megadott irányban beállítva haladnak. A beállító polarizációt erős mágneses erőtér hajtja végre. Ezeknek a szóráskísérleteknek sok finomsága származik a részecskefizikai kísérleti technikából, de az anyagvizsgálat ilyen méréstechnikai tapasztalatai sok ötlettel szolgáltak a részecskefizika számára is. Ilyen visszafizetett kölcsön volt például az a meglepő megállapítás is, hogy van a neutronnak elektromos dipólnyomatéka is, melynek nagysága is kiolvasható a szórásképből. A tény, hogy a semleges neutronnak elektromos dipólnyomatéka is van – a mágneses dipólnyomatéka mellett – miközben továbbra is áll az, hogy a neutron össztöltése nulla, szokatlanságával éppen arra utal, hogy a neutron bizonyosan összetett képződmény, mélyebb szinten más, még elemibb alkotórészekből keletkező struktúra.

Az atomok mozgásáról – neutronnyalábbal vizsgálva

Shull vizsgálataival egy időben Brockhouse a Chalk River Laboratóriumban a neutronszórás technikájával a szilárd test “atomrácsának”  mozgását mutatta ki. Régóta hitték a fizikusok, éppen Kármán Tódor és Max Born és mások nyomán, hogy a kristályban kötött atomi részek, amik persze már nem azonosak a szabad állapotban lévő atomokkal, termikus mozgást végeznek, harmonikus egységben a kristályt alkotó közösséggel. Éppen ez a kollektív mozgás felelős a szilárd testek fajhőjének sajátos viselkedéséért és rugalmas tulajdonságaiért. A koncepciót az az eredmény igazolta, hogy a fajhőt helyesen értelmezte (bizonyos határig), de nem volt kísérleti eljárás a húszas években született elgondolás részleteinek ellenőrzésére. A neutronnyalábok fentebb már említett tulajdonságai viszont erre a feladatra is alkalmasnak bizonyultak. Brockhouse először a kristályrácspontok termikus mozgásának következményeit érte tetten a neutronszóráskép változásában, amit a hőmérséklettel talált egyértelmű korrelációban. A növekvő hőmérséklet a szórócentrumokat nagyobb kiterjedésűvé teszi, a céltárgy hevesebb termikus mozgása miatt. Ezen túlmenően a lassú, úgynevezett termikus neutronok energiája összemérhető a kristályban kialakuló kollektív gerjesztések, a kristály állóhullám-módusait megtestesítő fononok energiáival. ?gy azután a neutronspektroszkópia új fejezettel bővülhetett, amikor Brockhouse 1955-ben publikálta a fonon-diszperziós reláció mérésének eredményeit, amit az alumínium-kristályokon állapított meg. Ezekben a vizsgálatokban született meg az ún. háromtengelyű neutronspektrométer. Egyben hatalmas lendületet vett a neutronszórás, mint eljárás a szilárd testek dinamikai tulajdonságainak mikroszkopikus vizsgálatában. Ezek során lehetett a szilárd testek mágneses gerjesztéseit, a magnonokat kimérni, ezekkel lehetett spinhullámokat kísérletileg kimutatni. Hamarosan a neutronszórás alkalmassá vált bizonyos folyadék-mikrostruktúrák kísérleti átvilágítására is.

A neutronszórás, mint anyagvizsgálat elterjedése

A díj indokolásában emlegetik, hogy szűken számítva 3000 neutronszórás-kísérleti berendezés működik szerte a világon. Ma a neutronnyalábbal a kísérletet nem egy eldugott koszos sarokban végzik a reaktor mellett,  mint a hőskorban,  hogy éppen a reaktor számára valamely szerkezeti anyag minőségellenőrzését végrehajtsák. Ma már a szilárdtestfizika és az anyagtudományok élvonalbeli gazdasági fontossága miatt a neutronszórásos anyagvizsgálat úgyszólván gond nélkül képes elnyerni hatalmas állami támogatásokat (főleg az Egyesült Államokban, Angliában, Japánban, Franciaországban). Ezen a részecskefizikusok talán szomorkodhatnak. De ha arra a technológia-transzferre gondolnak, amelynek cserekereskedelmében ők már adtak, az erőgyűjtés korszakában bizalommal várhatnak viszontszolgáltatásokra.
A neutronszórásos anyagvizsgálat  par excellencekísérleti fizika. Ami semmit sem változtat azon a tényen, hogy nemcsak az eredményei gazdagították a fizika elméletét, hanem az elmélet sokszor szolgált lényeges kiindulópontokkal is ? mint ez általában lenni szokott. A neutronszórásos anyagvizsgálat a modern fizika gyöngysora (önmagában) és mindenekelőtt a kvantummechanika kísérleti bizonyítékainak gazdag tárháza.

Az Europhysics News 25 176 (1994) nyomán összeállította: ABONYI IVÁN