中子散射——探索微观世界的奥妙

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中子散射——探索微观世界的奥妙

2018 年 1 月 11 日 中科院之声

微观世界有多精彩？我们先来欣赏几幅图片：

苍蝇的眼睛

花丛中的蝴蝶卵

分裂的癌细胞

埃博拉病毒

在没有产生科学之前，人类用肉眼去观察和理解世界。同样都是由“碳”元素构成的物质，金刚石和石墨的物理性质却有很大的差别，原因是什么？

闪闪发亮的钻石

闪闪发亮的金刚石是世界上最硬的材料之一，其碳元素按正四面体结构排列，如果换一种排列方式，便组成了我们日常使用的铅笔芯的材料——石墨。由此看来，物质的结构决定了物质的性质。

如何观察物质的微观结构？中子散射是一种强有力的探测手段。中子和光一样，具有波粒二象性，既有波的性质，可以反射、折射、衍射、吸收。也具有粒子的性质，可以弹射、散射等。中子由于不带电，能比其他探测方式更为轻松地穿透物质。中子束打到被研究的样品身上，大多数会不受任何阻碍穿过样品，但有些中子会与研究对象的原子核发生相互作用，其运动方向也会发生改变，向四周“散射”开来。我们分析中子散射的轨迹、中子和物质发生作用时能量和动量的变化，就可以反推物质的结构。

中子对物质（甚至是很厚金属容器）有很强的穿透性

为什么木头是硬的？为什么橡胶富有弹性？科学家们在不停地探索组成物质的结构，这需要一系列的研究手段来帮助我们。我们借助光学显微镜可以看到一微米以上尺度的物质结构，例如细胞、花粉。而要看到更小、甚至原位的内部结构，可以借助于中子散射手段。

中子和X射线一样，具有穿透性。我们在机场安检，把包放在传送带上，包里的物品会显示在工作人员的电脑屏幕上。这是最简单的X射线成像。但X射线的穿透深度是有限的，例如它无法穿透大多数的金属，所以安检人员会要求乘客把笔记本电脑、雨伞等物品单独取出来，他们要用肉眼来分辨这些物品。然而这个问题对中子来说轻而易举，中子甚至可以穿透很厚的密封铅罐，“看见”里面的东西。就像《西游记》里孙悟空和虎力大仙、鹿力大仙的猜东西比试一样。

中子可以穿透10厘米厚铅罐

中子散射还可以协助考古人员对文物进行无损研究，例如我们想知道我国南北朝时期的佛像，其制造工艺是如何？我们显然无法把文物大卸八块进行分析。科学家用中子成像技术，可以看到佛像的中间有一根木制“主梁”。原来，中子对轻的元素，也就是原子系数小的元素非常敏感，中间的棍子是木头做的，也就是碳氢化合物，中子可以轻易地“看到”它。科学家也终于明白，这尊佛像的制造工艺和盖房子很像，先在中间立一根木梁，在木梁周围缠上“支撑架”，最终用黏土制成了佛像。

中子散射可以对文物进行“无损”研究

中子散射的装置非常庞大，可以观察样品的原位机构。例如98年的德国高铁事故之后，科学家陷入了对事故原因分析的争议当中，是车轮、轴承还是铁轨出了故障？用其他手段例如电子显微镜，需要用激光刀把车轮切成小于1微米的薄片，几乎没有可操作性；而用中子散射装置，可以把整个车轮放在探测器中间，最终发现是由于车轮的老化导致事故的发生。

利用中子散射研究火车车轮

在英国散裂中子源，科学家把整个飞机机翼吊装到仪器的测量部位，直接观察在什么加工工艺下，机翼的各个部分结构才能得到最优化的性能。

同样，在在生物医药领域，中子散射可以帮助我们看清蛋白质的内部结构。和X射线只能看结晶状态下蛋白质结构不同，中子散射装置可以观察蛋白质在人体内复杂液体环境下的结构。中子散射也是唯一的可以无损检测碳纤维、螺旋桨叶片等先进材料内部结构的研究手段。在能源材料领域，氢动力汽车无疑比以汽油为燃料的汽车更加节能环保。如何实现氢气的稳定储存？我们希望把氢气变成密度更高的固体。最简单的办法是给氢气加压，但有容易引发爆炸的危险。有其他办法么？现代科学家用一种金属-有机框架（MOF）材料，可以把氢气吸进去，要用的时候就把氢气释放出来。中子散射可以帮助科学家研究，氢气在金属的什么位置，什么情况下氢气可以更好地释放。

把输油管道放到散裂中子源装置进行研究

产生中子有两种方式：一种是看起来威力很大的“核反应堆”，利用铀235通过核裂变反应产生中子，但这种方式对于安全性是很大的威胁，于是科学家设计了第二种产生中子的装置——散裂中子源。其原理是把质子加速到一定的能量，把质子束当成“子弹”，去轰击原子系数很高的重金属靶，金属靶的原子核被撞击出质子和中子，科学家便通过特殊的装置“收集”中子，开展各种实验。散裂中子源的好处在于，加速质子使用的是高压电场，只要切断电源，质子就会立即停止轰击金属靶，不会有任何放射性污染且可控，因此是最安全的产生中子的方式。