將微觀世界看通透

日前，建在廣東東莞的我國“十一五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——中國散裂中子源按期、高質(zhì)量完成了全部工程建設(shè)任務(wù)，通過了中國科學(xué)院組織的工藝鑒定和驗(yàn)收。這是中國首臺(tái)、世界第四臺(tái)脈沖型散裂中子源，它的建成填補(bǔ)了國內(nèi)脈沖中子應(yīng)用領(lǐng)域的空白，為我國材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、資源環(huán)境、新能源等方面的基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)開發(fā)提供了強(qiáng)有力的研究手段。

中國散裂中子源于2011年9月開工建設(shè)，工期6.5年，總投資約23億元。其主要建設(shè)內(nèi)容包括一臺(tái)直線加速器、一臺(tái)快循環(huán)同步加速器、一個(gè)靶站，以及一期三臺(tái)供中子散射實(shí)驗(yàn)用的中子譜儀，是各種高、精、尖設(shè)備組成的整體。

那么，什么是中子散射？

中國散裂中子源工程總指揮、工程經(jīng)理、中科院院士陳和生介紹：“當(dāng)一束中子入射到研究樣品上時(shí)，與它的原子核或磁矩發(fā)生相互作用，產(chǎn)生散射。通過測量散射的中子能量和動(dòng)量的變化，就可以研究在原子、分子尺度上各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，告訴人們?cè)雍头肿拥奈恢眉捌溥\(yùn)動(dòng)狀態(tài)?！?/p>

陳和生進(jìn)一步解釋說：“打個(gè)比方，假設(shè)面前有一張看不見的網(wǎng)，我們不斷地扔出很多玻璃彈珠，彈珠有的穿網(wǎng)而過，有的則打在網(wǎng)上，彈向不同的角度。如果把這些彈珠的運(yùn)動(dòng)軌跡記錄下來，就能大致推測出網(wǎng)的形狀；如果彈珠發(fā)得夠多、夠密、夠強(qiáng)，就能把這張網(wǎng)精確地描繪出來，甚至推斷其材質(zhì)?！?/p>

中子散射又是怎么探測到物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動(dòng)的？

然而，進(jìn)行中子散射的研究，需要用中子做探針，就必須有一個(gè)適當(dāng)?shù)闹凶釉矗冗M(jìn)的中子源是中子科學(xué)研究的基礎(chǔ)。散裂中子源正好符合需求。

在材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、新能源等領(lǐng)域，散裂中子源有廣泛應(yīng)用前景。

散裂中子源可以產(chǎn)生強(qiáng)脈沖中子，并通過測量中子束流在樣品的散射反應(yīng)過程，探測樣品原子核的位置和運(yùn)動(dòng)狀況，因此，在材料科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)、物理、化學(xué)化工、資源環(huán)境、新能源等諸多領(lǐng)域都具有廣泛應(yīng)用前景。

例如，1998年6月，德國一輛城際快車意外出軌，最后查出事故元兇竟然是老化的車輪。車輪是在英國散裂中子源上檢測的，發(fā)現(xiàn)其中有內(nèi)部裂痕。事實(shí)上，無論是高鐵的輪軌，還是飛機(jī)的渦輪、機(jī)翼，里面都有應(yīng)力，它決定了高鐵和飛機(jī)的使用壽命和安全性。但是，這個(gè)應(yīng)力看不到、摸不著，對(duì)它的研究成了避免災(zāi)難發(fā)生的關(guān)鍵。

【小科普】

中子

1932年，英國物理學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，人們開始認(rèn)識(shí)到原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成的。中子的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用是20世紀(jì)最重要的科技成就之一。由于中子不帶電，具有磁矩，且穿透性強(qiáng)，能分辨輕元素、同位素和近鄰元素，具有非破壞性，這些特性使得中子散射成為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的理想探針之一，和X射線一樣，是多學(xué)科研究中探測物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和原子運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)有力手段。