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Inelastic Neutron Scattering from Ice and Other Proton-containing Substances

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Bruno Dorner*
Affiliation:
Institut Laue-Langevin, 156X, Centre de Tri, 38042 Grenoble Cédex, France
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

A brief introduction to neutron scattering is given with special emphasis on the difference between coherent and incoherent contributions. The following report of recent work on ice contains the determination and verification of some phonon dispersion curves, and outlines the state of the art on diffuse scattering due to the proton disorder. Results on “two-dimensional ice” in copper formate tetrahydrate are of great interest as this system exhibits a phase transformation below which the protons are ordered. The study of rotational diffusion and of the tunnel splitting of the rotational ground state of molecules which contain protons is discussed in some detail. These investigations are now possible with very high energy resolution ΔE ≈ 5 × 10-8 eV (4 • 10-4 cm- 1 or 12 MHz).

Résumé

Résumé

Une brève introduction est consacrée à la diffusion des neutrons et nous insistons plus particulièrement sur la différence entre les contributions cohérentes et incohérentes. Dans cet article relatif à des travaux récents sur la glace, nous présentons la détermination et la vérification de quelques courbes de dispersion par les phonons et dégageons les bases de la technique de dispersion diffuse due au désordre protonique. Des résultats correspondant à une “glace bidimensionnelle” dans le système cuivre-formate-tetrahydrate sont d'un grand intérêt car un tel système présente une transformation de phase au-dessous de laquelle les protons sont ordonnés. L'étude de la diffusion rotationnelle et du clivage par effet tunnel du niveau rotationnel fondamental des molécules dotées de protons, est discutée de façon quelque peu détaillée. Ce type d'investigation est maintenant possible avec une très haute résolution en énergie: ΔE ≈ 5 × 10-8eV (4 • 10-4cm-1 or 12 MHz).

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Es wird eine kurze Einführung in die Neutronenstreuung gegeben mit besonderem Hinweis auf den Unterschied zwischen kohärentem und inkohärentem Beitrag. Der folgende Bericht über neuere Arbeiten an Eis enthält die Bestimmung und Bestätigung von einigen Phononen-Dispersions-Kurven und zeigt den Stand der Untersuchungen der diffusen Streuung, die von der Unordnung der Protonen herrührt. Ergebnisse an “zwei-dimensionalem Eis” in Kupfer-Format-Tetrahydrat sind von grossem Interesse, da dieses System einen Phasenübergang aufweist, unterhalb dessen die Protonen geordnet sind. Untersuchungen der Rotations-diffusion und der Tunnelaufspaltung des Rotationsgrundzustandes von Molekülen, die Protonen enthalten, werden im Einzelnen diskutiert. Diese Messungen sind neuerdings möglich mit sehr hoher Energieauflösung ΔE ≈ 5 · 10-8 eV (4 • 10-4 cm-1 oder 12 MHz).

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1978
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Fig. 1. Phonon dispersion in hexagonal ice. New results from three-axis spectrometer (open circles) together with preliminary TOF data (crosses). The solid lines are a fit of a four-parameter valence force field to the data (Renker, 1976).

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Fig. 2. Schematic structure of a water layer in copper formate tetrahydrate below T0 (Youngblood and Axe, in press).

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Fig. 3. Diffuse scattering intensity from disordered deuterium in copper formate terahydrate around (o, 4, 1.5) at 261 K (Youngblood and Axe, in press).

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Fig.4. High-energy resolution measurement on adamantane. The purely elastic part (Gaussian shape) appears on top of the inelastic (often called quasi-elastic) part (Lorentzian shape). The solid line is a computer fit to the data (Lechner and Heidemann, 1976).

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Fig.5. Elastic incoherent structure factors in adamantane. O art experimental points with statistical error bars,... rotational diffusion model, ------four-fold rotation model,------three-fold rotation model. Arrows indicate positions of Bragg peaks (Lechner and Heidemann, 1976).

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Fig. 6 High-energy resolution spectrum of NH4ClO4 at 5 K. A derived level scheme is inserted, where A has the total spin 1 = 2> T has I = 1, and E has I = o (Prager and others, 1976).

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Fig.7. High-energy resolution spectra of ??4ClO 4 at various temperatures {Prager and others, 1976).