Luận văn Véc tơ phân cực của Nơtron tán xạ trong tinh thể sắt từ

Nội dung tài liệu: Luận văn Véc tơ phân cực của Nơtron tán xạ trong tinh thể sắt từ

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------------- Nguyễn Thanh Nga VÉC TƠ PHÂN CỰC CỦA NƠTRON TÁN XẠ TRONG TINH THỂ SẮT TỪ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2011
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------------- Nguyễn Thanh Nga VÉC TƠ PHÂN CỰC CỦA NƠTRON TÁN XẠ TRONG TINH THỂ SẮT TỪ Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và Vật lý toán Mã số : 60.44.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Đình Dũng Hà Nội - 2011
3. MỤC LỤC Mở đầu ...1 Chƣơng 1: Lý thuyết tán xạ của nơtron chậm trong tinh thể ...3 1.1. Hình thức luận thời gian của lý thuyết tán xạ ...3 1.2. Thế tương tác của nơtron chậm trong tinh thể ..................6 1.2.1. Yếu tố ma trận của tương tác hạt nhân ......................6 1.2.2. Yếu tố ma trận của tương tác từ .7 Chƣơng 2: Tán xạ của nơtron phân cực trong tinh thể phân cực ..............12 Chƣơng 3: Tán xạ từ của nơtron phân cực trong tinh thể sắt từ ...24 3.1. Tiết diện tán xạ từ vi phân của nơtron phân cực trong tinh thể ..............24 3.2. Tiết diện tán xạ từ vi phân của nơtron phân cực trong tinh thể sắt từ.............26 Chƣơng 4: Véc tơ phân cực của nơtron tán xạ trong tinh thể sắt từ .30 4.1. Véc tơ phân cực của nơtron tán xạ trong tinh thể . ................30 4.2. Véc tơ phân cực của nơtron tán xạ trong tinh thể sắt từ .31 Kết luận ...33 Tài liệu tham khảo ..34
4. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, quang học nơtron phát triển mạnh trong việc nghiên cứu sâu về cấu trúc của tinh thể. Tính hiệu quả lớn của phương pháp nhiễu xạ nơtron được xác định bởi bản chất tự nhiên của nơtron như một hạt cơ bản. Các nơtron chậm ( nơtron có năng lượng < 1MeV) là một công cụ độc đáo trong việc nghiên cứu động học của các nguyên tử vật chất và các cấu trúc từ của chúng 13,14,15 . Ở nhiệt độ thấp khi các hạt nhân của vật chất phân cực thì việc nghiên cứu trạng thái phân cực của chùm nơtron tán xạ cho ta rất nhiều thông tin quan trọng về quá trình vật lý, ví dụ như sự tiến động hạt nhân của các các nơtron trong bia có các hạt nhân phân cực, sự phát xạ và hấp thụ phonon và magnon 11,17 .. Các nghiên cứu về tán xạ không đàn hồi của các nơtron phân cực trong tinh thể phân cực cho phép ta nhận được các thông tin quan trọng về hàm tương quan spin của các hạt nhân 7,15,16 .. Ngoài ra các vấn đề về nhiễu xạ bề mặt của các nơtron trong tinh thể phân cực được đặt trong trường ngoài biến thiên tuần hoàn cũng đã được nghiên cứu 5,6,7. Trong luận văn này, chúng tôi đã nghiên cứu sự tán xạ của nơtron chậm, lạnh. (nơtron này có năng lượng nhỏ hơn rất nhiều 1MeV, do đó nó không đủ năng lượng để gây ra hiện tượng sinh hủy hạt) trong tinh thể sắt từ và chỉ quan tâm đến tương tác từ của nơtron với các nút mạng điện tử trong tinh thể. Từ đó nghiên cứu véc tơ phân cực của nơtron tán xạ từ trong tinh thể sắt từ. Nội dung của luận văn được trình bày trong 4 chương: Chƣơng 1: Lý thuyết tán xạ của nơtron chậm trong tinh thể phân cực Chƣơng 2: Tán xạ của các nơtron phân cực trong tinh thể phân cực. Chƣơng 3: Tán xạ từ của các nơtron phân cực trong tinh thể sắt từ Chƣơng 4: Véc tơ phân cực của nơtron tán xạ từ trong tinh thể sắt từ 1
5. Những kết quả của luận văn được trình bày trong phần kết luận. Kết quả chính của luận văn đã được báo cáo tại hội nghị vật lý lý thuyết toàn quốc lần thứ 36 tại thành phố Quy Nhơn tháng 8 năm 2011. 2
6. CHƢƠNG 1 : LÝ THUYẾT TÁN XẠ CỦA NƠTRON CHẬM TRONG TINH THỂ 1.1. Hình thức luận thời gian của lý thuyết tán xạ. Dùng 1 chùm hạt nơtron chậm phân cực bắn vào bia (năng lượng cỡ dưới 1 MeV và không đủ để tạo ra quá trình sinh huỷ hạt), nhờ tính chất trung hoà về điện, đồng thời moment lưỡng cực điện vô cùng nhỏ (gần bằng 0) nên nơtron không tham gia tương tác điện, dẫn đến độ xuyên sâu của chùm nơtron vào tinh thể là lớn và bức tranh giao thoa của sóng tán xạ sẽ cho ta thông tin về cấu trúc tinh thể và cấu trúc từ của bia. Trong trường hợp khi bia tán xạ cấu tạo từ số lớn các hạt ( ví dụ như tinh thể), để tính toán tiết diện tán xạ một cách thuận tiện ta đưa vào lý thuyết hình thức luận thời gian. Giả sử ban đầu các hạt bia được mô tả bởi hàm sóng n , là hàm riêng của toán tử Hamilton của bia H =En (1.1) Sau khi tương tác với nơtron sẽ chuyển sang trạng thái n . Còn nơtron có thể thay đổi xung lượng và spin của nó. Giả sử ban đầu trạng thái của notron được mô tả bởi hàm sóng p . Ta đi xác định xác suất mà trong đó nơtron sau khi tương tác với các hạt bia sẽ chuyển sang trạng thái p và các hạt bia chuyển sang trạng thái Xác suất Wn p| np của quá trình đó được tính theo lý thuyết nhiễu loạn trong gần đúng bậc nhất sẽ bằng : 2 2 Wn p'| np n p V np E n E p E n ' E p ' (1.2)  Trong đó: V là toán tử tương tác của nơtron với các hạt bia. 3
7. EEEEn,,, p n'' p là các năng lượng tương ứng của hạt bia và nơtron trước và sau khi tán xạ.  EEEEn p n'' p - hàm delta Dirac. i 1 En E p E n'' E p t  E E E E e dt (1.3) n p n'' p 2  Chúng ta quan tâm tới xác suất toàn phần Wpp | của quá trình trong đó nơtron sau khi tương tác với bia sẽ chuyển sang trạng thái p ; nó nhận được bằng cách tổng hóa các xác suất theo các trạng thái cuối của bia và lấy trung bình theo các trạng thái đầu. Bởi vì bia không luôn ở trạng thái cố định do đó ta phải tổng quát hóa đối với trường hợp khi nó ở trong trạng thái hỗn tạp với xác suất của trạng thái là n . Theo đó ta có: 2 2 Wp'| p   nn p V np E n E p E n ' E p '  nn' n 2 2  nn V p''' p n E n E p E n E p (1.4)  nn' Ở đây chúng ta đưa vào kí hiệu hỗn hợp để cho các yếu tố ma trận: n n p V np n Vpp n (1.5) Như vậy là các yếu tố ma trận của toán tử tương tác của nơtron với hạt bia lấy theo các trạng thái của nơtron và Vpp là toán tử tương đối với các biến số hạt bia Thay phương trình (1.3) vào (1.4) ta được: ii 1 Ep' E p t* E n E n t W' e dt n V n n V n e (1.6) p'| p2  nn ' p ' p p ' p Wn p | np nn' EEnn, là các trị riêng của toán tử Hamilton H với các hàm riêng là , , từ đó ta viết lại trong biểu diễn Heisenberg: i E E t  nn' n Vp'' p n e n V p p t n (1.7) 4
8. ii Ht Ht  Ở đây: Vp'' p t e V p p e là biểu diễn Heisenberg của toán tử với toán tử Hamilton. Thay (1.7) vào (1.6), chú ý rằng trong trường hợp này ta không quan tâm tới sự khác nhau của hạt bia trước và hạt bia sau tương tác, vì vậy công thức lấy tổng theo nn , chính là vết của chúng và được viết lại: i E E t 1 pp W e dt n V V t n p | p2  nn p ' p p ' p  nn' i E E t 1 pp' dte Sp V V t (1.8) 2 p'' p p p   Ở biểu thức cuối, biểu thức dưới dấu vết có chứa toán tử thống kê của bia , các phần tử đường chéo của ma trận của nó chính là xác suất . Theo n qui luật phân bố Gibbs nếu hạt bia nằm ở trạng thái cân bằng nhiệt động ta có hàm phân bố trạng thái là: e  H Sp e  H  1 Với:  kTz kz - hằng số Boltmann T - Nhiệt độ Giá trị trung bình thống kê của đại lượngVpp Vật lý được tính theo các hàm phân bố là: Sp e  H A AA (1.9)  n  H n Sp e  Kết hợp (1.8) và (1.9) ta được: ii  H E E t E E t Sp e V V t 11 p p p p p'' p p p  W dte Sp V V t dte p'| p22 p ' p p ' p   H  Sp e  i E E t 1 pp' dte V V t (1.10) 2 p'' p p p  5
9. Nếu chuẩn hóa hàm sóng của nơtron trên hàm đơn vị ( trên hàm  ) thì tiết diện tán xạ hiệu dụng được tính trên một đơn vị góc cầu và trên một khoảng đơn vị d 2 năng lượng , sẽ liên quan tới xác suất này bởi biểu thức sau: d dEp 2 2 2 i Epp E t d m p m p  W pp'| dte V V t (1.11) 335 p'' p p p d dEp 22  p p Gạch trên đầu là trung bình theo các trạng thái spin của nơtron trong chùm các nơtron ban đầu và tổng hóa các trạng theo các trạng thái spin trong chùm tán xạ m - khối lượng nơtron Trong công thức (1.11) đưa vào toán tử mật độ spin của nơtron tới  và sử dụng công thức: L Sp  L (1.12) Do đó dạng tường minh của công thức (1.11) được viết lại là: 22 i E E t d m p'  pp' dte Sp V V t (1.13) 3 5  p'' p p p  d dEp' 2  p Trong đó: - ma trận mật độ spin nơtron 1.2. Thế tƣơng tác của nơtron chậm trong tinh thể Một chùm hạt nơtron phân cực khi đi vào trong tinh thể sẽ chịu tác dụng của tương tác hạt nhân, tương tác trao đổi spin và tương tác từ gây ra bởi sự phân cực của chùm nơtron và sự chuyển động của các electron, cả electron tự do lẫn electron không kết cặp trong bia tinh thể 1.2.1. Yếu tố ma trận của tương tác hạt nhân Ta xây dựng thế hạt nhân của nơtron và hạt nhân bia dưới dạng sau: V()() rnn  r R (1.14) Trong đó : A B() sJ rn - vị trí của nơtron R - Vị trí của hạt nhân 6
10. AB, - là các hằng số J - Spin của hạt nhân s - Spin của nơtron Do đó thế tương tác của nơtron với hạt nhân thứ l là: Vl()() r n  r n R l (1.15) Lấy tổng công thức (1.15) theo l từ 1 đến số hạt nhân trong bia ta sẽ tìm được thế tương tác của nơtron với toàn bộ bia: N V  ln() r R (1.16) l 1 Các yếu tố ma trận Vpp' thuộc toán tử tương tác hạt nhân V từ xung lượng p đến p ' được ghi nhận trên cơ sở (1.16) có dạng: 1 i() p p Rl Vp p  A l B l sJ l e (1.17) l 2 1.2.2. Yếu tố ma trận của tương tác từ. Tương tác từ của nơtron với tinh thể có thể hiểu như tương tác của từ trường được sinh bởi nơtron với các dòng điện của điện tử (các điện tử này là các điện tử của các đám mây điện tử không kín của nguyên tử). Toán tử năng lượng của tương tác dạng này có thể được biết dưới dạng 13,14 : 1 V A r j r  ll (1.18) l c n rr l n Ở đó: Arnl 3 là véc tơ thế của trường ở điểm rl được sinh bởi rrln nơtron nằm ở điểm rn . n 2  nucs n là mô men từ của nơtron,  1,913 là đại lượng mô men từ của nơtron trong Manheton hạt nhân. jr l là dòng điện được sinh bởi điện tử thứ l (dấu tổng trong công thức (1.18) được lấy tổng theo tất cả các điện tử không liên kết cặp của tinh thể). 7