淺談“神探”中子

黃蔚玲

中國散裂中子源 是國家“十一五”期間重點建設的十二大科學裝置之首，

它產生的中子可以探察小到手機芯片，大到深海潛水器外殼的內部微觀結構，

為材料科學、物理學、化學化工、環(huán)境與能源等領域的研究提供技術支持。

什么是散裂中子源？為什么要建造散裂中子源？

這其中蘊含著怎樣的物理學原理呢？

研究物質結構的“得力干將”：中子

中子，廣泛存在于自然界中，除氫原子外幾乎所有物質的原子內部都有中子，但它被人類發(fā)現(xiàn)卻還不到100年。

自從1895年德國物理學家威廉·康拉德·倫琴發(fā)現(xiàn)X射線（因此獲得1901年諾貝爾物理學獎），1897年英國物理學家約瑟夫·約翰·湯姆遜在研究陰極射線（電子流）時發(fā)現(xiàn)電子（因此獲得1906年諾貝爾物理學獎）之后，微觀世界的大門逐漸向人類敞開，這其中發(fā)生了很多有趣的小故事。

例如，英國物理學家盧瑟福用α粒子（氦原子核，帶正電）轟擊金箔后發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)α粒子穿過金箔，偏轉角度很小，但大約有1/8000的α粒子偏轉角大于90度甚至150度。這個現(xiàn)象無法用湯姆遜假設的“葡萄干面包”式原子模型（如左上圖）來解釋，于是盧瑟福在1911年提出行星式結構模型，即在原子的中心有一個很小的核，叫作原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間繞著核旋轉。

后來，德國物理學家瓦爾特·博特和貝克用α粒子轟擊金屬鈹時發(fā)現(xiàn)了一種穿透力很強的射線。英國物理學家查德威克認為這種射線是由中性粒子組成的，并通過實驗測出了這種粒子的質量（與質子質量相近），他稱這種粒子為“中子”，并因此獲得了1935年的諾貝爾物理學獎。

此后，中子進入科學家的視野，人類逐步認識到中子既是粒子又是波，不僅可以與材料內部的原子核發(fā)生碰撞、散射，還可以在材料內部產生衍射效應（像波在水面上越過較小的障礙物繼續(xù)傳播），由此誕生了中子散射技術和中子衍射技術。中子一躍成為人類研究物質晶格（原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架）結構、磁性材料、生物醫(yī)藥、能源開發(fā)等領域的“得力干將”。

大型中子“工廠”：散裂中子源

利用天文望遠鏡，人們可以探索太空中的星系、星團和超新星爆發(fā)遺跡，推斷宇宙演變趨勢；利用光學顯微鏡，人們可以看到動植物細胞的內部結構；利用電子顯微鏡，人們可以看到材料表面原子排布，分析微米級超薄樣本的物質成分。那么，利用中子，科學家可以做什么呢？

在中國的廣東省東莞市美麗的松山湖畔，坐落著繼英國、美國和日本之后世界上第4臺脈沖型散裂中子源。它就像一個大型的中子工廠，源源不斷地產生各種波長的中子，這些中子通過中子導管到達不同譜儀對應的樣本臺，可以同時對多種材料樣本進行探測、研究，就好像很多臺顯微鏡在對材料內部的微觀結構進行成像一樣。

例如，相比X射線，中子對于氫、鋰、碳等較輕元素比較敏感，如果想設計壽命更長的鋰離子電池，可以用中子來探測鋰離子電池的結構，對電池進行充、放電循環(huán)性和電壓保持性能的研究，改進陰極材料。

再例如，想使我們駕駛的汽車既節(jié)能省油又具備良好的碰撞性能，就可以利用比常規(guī)X射線的穿透能力還要強數(shù)個量級的中子，到達結構部件內數(shù)厘米的深處，獲取材料的局部晶體結構信息，幫助科學家研究出兼具高強度和高韌性的車身材料。

再例如，在新藥物研發(fā)過程中，藥物和生物細胞是如何作用的？又如何對肌體產生治療效果的呢？科學家就可以利用中子反射對薄膜類樣本損傷很小的特點，來解決生物膜縮脹、生物藥物輸運的動態(tài)過程分析等棘手問題。

千百年前人類“仰觀宇宙之大、俯察品類之盛”，書寫了燦爛的文明。從宏觀到微觀、從極大尺度到極小尺度，人類探索世界的步伐從未停止。在中子這個“神探”的幫助下，研究人員得以從各個角度獲取物質內部的微觀信息，進而更好地研發(fā)、利用材料，使我們的生活更加美好！

知識鏈接? 為什么要研究物質結構？

物質微觀結構和組成決定了它的物理、化學特性，如圖所示，金剛石（穩(wěn)定的正四面體結構）和石墨（層狀等六邊形結構）都由碳原子構成，但是因為原子排列方式不同，二者物理性質有很大差異。

中子因其獨特的物理屬性（不帶電、穿透力強、具有磁性、對輕元素靈敏等）在眾多微觀粒子中脫穎而出。它好像神探一般，可以幫助研究人員分析材料結構和成分組成、發(fā)現(xiàn)材料缺陷、找到問題癥結，從而研發(fā)出更強、更輕、更結實的新材料。

我們可以想象一張很大的網，要如何知道這張網的結構呢？我們可以拋出很多彈珠，有些彈珠會穿過網孔，有些會和網發(fā)生碰撞，飛向不同方向。測量所有彈珠的軌跡，就可以反推出這張網的結構了。

這里的彈珠就是中子，網就是我們要研究的物質，彈珠飛向不同方向就是中子散射。研究人員通過測量中子能量和軌跡的變化，就可以推斷物質的微觀結構了。