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中子散射——探索微观世界的奥妙

文章来源:高能物理研究所    发布时间:2018-04-16  【字号:      】

  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1998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,但又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。

中国散裂中子源加速器装置

  中子散射用处如此之大,因此世界上发达国家都在建设散裂中子源。目前国际上已经建成的有英国散裂中子源、美国散裂中子源和日本散裂中子源。中国散裂中子源于2011年在广东东莞建设,今年将竣工并对外开放。

  (本文根据中国科学院高能物理研究所研究员程贺在东莞大朗一中的科普讲座内容整理,整理人:张玮)




(责任编辑:侯茜)

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