浅谈“神探”中子

黄蔚玲

中国散裂中子源 是国家“十一五”期间重点建设的十二大科学装置之首，

它产生的中子可以探察小到手机芯片，大到深海潜水器外壳的内部微观结构，

为材料科学、物理学、化学化工、环境与能源等领域的研究提供技术支持。

什么是散裂中子源？为什么要建造散裂中子源？

这其中蕴含着怎样的物理学原理呢？

研究物质结构的“得力干将”：中子

中子，广泛存在于自然界中，除氢原子外几乎所有物质的原子内部都有中子，但它被人类发現却还不到100年。

自从1895年德国物理学家威廉·康拉德·伦琴发现X射线（因此获得1901年诺贝尔物理学奖），1897年英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊在研究阴极射线（电子流）时发现电子（因此获得1906年诺贝尔物理学奖）之后，微观世界的大门逐渐向人类敞开，这其中发生了很多有趣的小故事。

例如，英国物理学家卢瑟福用α粒子（氦原子核，带正电）轰击金箔后发现，绝大多数α粒子穿过金箔，偏转角度很小，但大约有1/8000的α粒子偏转角大于90度甚至150度。这个现象无法用汤姆逊假设的“葡萄干面包”式原子模型（如左上图）来解释，于是卢瑟福在1911年提出行星式结构模型，即在原子的中心有一个很小的核，叫作原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕着核旋转。

后来，德国物理学家瓦尔特·博特和贝克用α粒子轰击金属铍时发现了一种穿透力很强的射线。英国物理学家查德威克认为这种射线是由中性粒子组成的，并通过实验测出了这种粒子的质量（与质子质量相近），他称这种粒子为“中子”，并因此获得了1935年的诺贝尔物理学奖。

此后，中子进入科学家的视野，人类逐步认识到中子既是粒子又是波，不仅可以与材料内部的原子核发生碰撞、散射，还可以在材料内部产生衍射效应（像波在水面上越过较小的障碍物继续传播），由此诞生了中子散射技术和中子衍射技术。中子一跃成为人类研究物质晶格（原子在晶体中排列规律的空间格架）结构、磁性材料、生物医药、能源开发等领域的“得力干将”。

大型中子“工厂”：散裂中子源

利用天文望远镜，人们可以探索太空中的星系、星团和超新星爆发遗迹，推断宇宙演变趋势；利用光学显微镜，人们可以看到动植物细胞的内部结构；利用电子显微镜，人们可以看到材料表面原子排布，分析微米级超薄样本的物质成分。那么，利用中子，科学家可以做什么呢？

在中国的广东省东莞市美丽的松山湖畔，坐落着继英国、美国和日本之后世界上第4台脉冲型散裂中子源。它就像一个大型的中子工厂，源源不断地产生各种波长的中子，这些中子通过中子导管到达不同谱仪对应的样本台，可以同时对多种材料样本进行探测、研究，就好像很多台显微镜在对材料内部的微观结构进行成像一样。

例如，相比X射线，中子对于氢、锂、碳等较轻元素比较敏感，如果想设计寿命更长的锂离子电池，可以用中子来探测锂离子电池的结构，对电池进行充、放电循环性和电压保持性能的研究，改进阴极材料。

再例如，想使我们驾驶的汽车既节能省油又具备良好的碰撞性能，就可以利用比常规X射线的穿透能力还要强数个量级的中子，到达结构部件内数厘米的深处，获取材料的局部晶体结构信息，帮助科学家研究出兼具高强度和高韧性的车身材料。

再例如，在新药物研发过程中，药物和生物细胞是如何作用的？又如何对肌体产生治疗效果的呢？科学家就可以利用中子反射对薄膜类样本损伤很小的特点，来解决生物膜缩胀、生物药物输运的动态过程分析等棘手问题。

千百年前人类“仰观宇宙之大、俯察品类之盛”，书写了灿烂的文明。从宏观到微观、从极大尺度到极小尺度，人类探索世界的步伐从未停止。在中子这个“神探”的帮助下，研究人员得以从各个角度获取物质内部的微观信息，进而更好地研发、利用材料，使我们的生活更加美好！

知识链接  为什么要研究物质结构？

物质微观结构和组成决定了它的物理、化学特性，如图所示，金刚石（稳定的正四面体结构）和石墨（层状等六边形结构）都由碳原子构成，但是因为原子排列方式不同，二者物理性质有很大差异。

中子因其独特的物理属性（不带电、穿透力强、具有磁性、对轻元素灵敏等）在众多微观粒子中脱颖而出。它好像神探一般，可以帮助研究人员分析材料结构和成分组成、发现材料缺陷、找到问题症结，从而研发出更强、更轻、更结实的新材料。

我们可以想象一张很大的网，要如何知道这张网的结构呢？我们可以抛出很多弹珠，有些弹珠会穿过网孔，有些会和网发生碰撞，飞向不同方向。测量所有弹珠的轨迹，就可以反推出这张网的结构了。

这里的弹珠就是中子，网就是我们要研究的物质，弹珠飞向不同方向就是中子散射。研究人员通过测量中子能量和轨迹的变化，就可以推断物质的微观结构了。