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中子散射——探索微观世界的奥妙

时间:2018-02-08

来源:墨子沙龙

微观世界有多精彩?我们先来欣赏几幅图片:

苍蝇的眼睛

苍蝇的眼睛

花丛中的蝴蝶卵

花丛中的蝴蝶卵

分裂的癌细胞

分裂的癌细胞

埃博拉病毒

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

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98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

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,但有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

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。

(本文根据高能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)

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