黃蔚玲

中國(guó)散裂中子源 是國(guó)家“十一五”期間重點(diǎn)建設(shè)的十二大科學(xué)裝置之首，

它產(chǎn)生的中子可以探察小到手機(jī)芯片，大到深海潛水器外殼的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，

為材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)化工、環(huán)境與能源等領(lǐng)域的研究提供技術(shù)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(yùn)含著怎樣的物理學(xué)原理呢？

研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)的原子內(nèi)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(guó)物理學(xué)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(xué)獎(jiǎng)），1897年英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆遜在研究陰極射線（電子流）時(shí)發(fā)現(xiàn)電子（因此獲得1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）之后，微觀世界的大門(mén)逐漸向人類敞開(kāi)，這其中發(fā)生了很多有趣的小故事。

例如，英國(guó)物理學(xué)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(guò)金箔，偏轉(zhuǎn)角度很小，但大約有1/8000的α粒子偏轉(zhuǎn)角大于90度甚至150度。這個(gè)現(xiàn)象無(wú)法用湯姆遜假設(shè)的“葡萄干面包”式原子模型（如左上圖）來(lái)解釋，于是盧瑟福在1911年提出行星式結(jié)構(gòu)模型，即在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫作原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)。

后來(lái)，德國(guó)物理學(xué)家瓦爾特·博特和貝克用α粒子轟擊金屬鈹時(shí)發(fā)現(xiàn)了一種穿透力很強(qiáng)的射線。英國(guó)物理學(xué)家查德威克認(rèn)為這種射線是由中性粒子組成的，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出了這種粒子的質(zhì)量（與質(zhì)子質(zhì)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(xué)獎(jiǎng)。

此后，中子進(jìn)入科學(xué)家的視野，人類逐步認(rèn)識(shí)到中子既是粒子又是波，不僅可以與材料內(nèi)部的原子核發(fā)生碰撞、散射，還可以在材料內(nèi)部產(chǎn)生衍射效應(yīng)（像波在水面上越過(guò)較小的障礙物繼續(xù)傳播），由此誕生了中子散射技術(shù)和中子衍射技術(shù)。中子一躍成為人類研究物質(zhì)晶格（原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架）結(jié)構(gòu)、磁性材料、生物醫(yī)藥、能源開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域的“得力干將”。

大型中子“工廠”：散裂中子源

利用天文望遠(yuǎn)鏡，人們可以探索太空中的星系、星團(tuán)和超新星爆發(fā)遺跡，推斷宇宙演變趨勢(shì)；利用光學(xué)顯微鏡，人們可以看到動(dòng)植物細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；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(jí)超薄樣本的物質(zhì)成分。那么，利用中子，科學(xué)家可以做什么呢？

在中國(guó)的廣東省東莞市美麗的松山湖畔，坐落著繼英國(guó)、美國(guó)和日本之后世界上第4臺(tái)脈沖型散裂中子源。它就像一個(gè)大型的中子工廠，源源不斷地產(chǎn)生各種波長(zhǎng)的中子，這些中子通過(guò)中子導(dǎo)管到達(dá)不同譜儀對(duì)應(yīng)的樣本臺(tái)，可以同時(shí)對(duì)多種材料樣本進(jìn)行探測(cè)、研究，就好像很多臺(tái)顯微鏡在對(duì)材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像一樣。

例如，相比X射線，中子對(duì)于氫、鋰、碳等較輕元素比較敏感，如果想設(shè)計(jì)壽命更長(zhǎng)的鋰離子電池，可以用中子來(lái)探測(cè)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)，對(duì)電池進(jìn)行充、放電循環(huán)性和電壓保持性能的研究，改進(jìn)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(qiáng)數(shù)個(gè)量級(jí)的中子，到達(dá)結(jié)構(gòu)部件內(nèi)數(shù)厘米的深處，獲取材料的局部晶體結(jié)構(gòu)信息，幫助科學(xué)家研究出兼具高強(qiáng)度和高韌性的車身材料。

再例如，在新藥物研發(fā)過(guò)程中，藥物和生物細(xì)胞是如何作用的？又如何對(duì)肌體產(chǎn)生治療效果的呢？科學(xué)家就可以利用中子反射對(duì)薄膜類樣本損傷很小的特點(diǎn)，來(lái)解決生物膜縮脹、生物藥物輸運(yùn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析等棘手問(wèn)題。

千百年前人類“仰觀宇宙之大、俯察品類之盛”，書(shū)寫(xiě)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(gè)“神探”的幫助下，研究人員得以從各個(gè)角度獲取物質(zhì)內(nèi)部的微觀信息，進(jìn)而更好地研發(fā)、利用材料，使我們的生活更加美好！

知識(shí)鏈接? 為什么要研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)？

物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和組成決定了它的物理、化學(xué)特性，如圖所示，金剛石（穩(wěn)定的正四面體結(jié)構(gòu)）和石墨（層狀等六邊形結(jié)構(gòu)）都由碳原子構(gòu)成，但是因?yàn)樵优帕蟹绞讲煌?，二者物理性質(zhì)有很大差異。

中子因其獨(dú)特的物理屬性（不帶電、穿透力強(qiáng)、具有磁性、對(duì)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(jié)構(gòu)和成分組成、發(fā)現(xiàn)材料缺陷、找到問(wèn)題癥結(jié)，從而研發(fā)出更強(qiáng)、更輕、更結(jié)實(shí)的新材料。

我們可以想象一張很大的網(wǎng)，要如何知道這張網(wǎng)的結(jié)構(gòu)呢？我們可以拋出很多彈珠，有些彈珠會(huì)穿過(guò)網(wǎng)孔，有些會(huì)和網(wǎng)發(fā)生碰撞，飛向不同方向。測(cè)量所有彈珠的軌跡，就可以反推出這張網(wǎng)的結(jié)構(gòu)了。

這里的彈珠就是中子，網(wǎng)就是我們要研究的物質(zhì)，彈珠飛向不同方向就是中子散射。研究人員通過(guò)測(cè)量中子能量和軌跡的變化，就可以推斷物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)了。