中子散射——探索微觀世界的奧妙
微觀世界有多精彩？我們先來欣賞幾幅圖片：
蒼蠅的眼睛
花叢中的蝴蝶卵
分裂的癌細胞
埃博拉病毒
在沒有產生科學之前，人類用肉眼去觀察和理解世界。同樣都是由「碳」元素構成的物質，金剛石和石墨的物理性質卻有很大的差別，原因是什麼？
閃閃發亮的鑽石
閃閃發亮的金剛石是世界上最硬的材料之一，其碳元素按正四面體結構排列，如果換一種排列方式，便組成了我們日常使用的鉛筆芯的材料——石墨。由此看來，物質的結構決定了物質的性質。
如何觀察物質的微觀結構？中子散射是一種強有力的探測手段。中子和光一樣，具有波粒二象性，既有波的性質，可以反射、折射、衍射、吸收。也具有粒子的性質，可以彈射、散射等。中子由於不帶電，能比其他探測方式更為輕鬆地穿透物質。中子束打到被研究的樣品身上，大多數會不受任何阻礙穿過樣品，但有些中子會與研究對象的原子核發生相互作用，其運動方向也會發生改變，向四周「散射」開來。我們分析中子散射的軌跡、中子和物質發生作用時能量和動量的變化，就可以反推物質的結構。
中子對物質（甚至是很厚金屬容器）有很強的穿透性
為什麼木頭是硬的？為什麼橡膠富有彈性？科學家們在不停地探索組成物質的結構，這需要一系列的研究手段來幫助我們。我們藉助光學顯微鏡可以看到一微米以上尺度的物質結構，例如細胞、花粉。而要看到更小、甚至原位的內部結構，可以藉助於中子散射手段。
中子和X射線一樣，具有穿透性。我們在機場安檢，把包放在傳送帶上，包里的物品會顯示在工作人員的電腦屏幕上。這是最簡單的X射線成像。但X射線的穿透深度是有限的，例如它無法穿透大多數的金屬，所以安檢人員會要求乘客把筆記本電腦、雨傘等物品單獨取出來，他們要用肉眼來分辨這些物品。然而這個問題對中子來說輕而易舉，中子甚至可以穿透很厚的密封鉛罐，「看見」裡面的東西。就像《西遊記》里孫悟空和虎力大仙、鹿力大仙的猜東西比試一樣。
中子可以穿透10厘米厚鉛罐
中子散射還可以協助考古人員對文物進行無損研究，例如我們想知道我國南北朝時期的佛像，其製造工藝是如何？我們顯然無法把文物大卸八塊進行分析。科學家用中子成像技術，可以看到佛像的中間有一根木製「主梁」。原來，中子對輕的元素，也就是原子係數小的元素非常敏感，中間的棍子是木頭做的，也就是碳氫化合物，中子可以輕易地「看到」它。科學家也終於明白，這尊佛像的製造工藝和蓋房子很像，先在中間立一根木樑，在木樑周圍纏上「支撐架」，最終用黏土製成了佛像。
中子散射可以對文物進行「無損」研究
中子散射的裝置非常龐大，可以觀察樣品的原位機構。例如98年的德國高鐵事故之後，科學家陷入了對事故原因分析的爭議當中，是車輪、軸承還是鐵軌出了故障？用其他手段例如電子顯微鏡，需要用激光刀把車輪切成小於1微米的薄片，幾乎沒有可操作性；而用中子散射裝置，可以把整個車輪放在探測器中間，最終發現是由於車輪的老化導致事故的發生。
利用中子散射研究火車車輪
在英國散裂中子源，科學家把整個飛機機翼吊裝到儀器的測量部位，直接觀察在什麼加工工藝下，機翼的各個部分結構才能得到最優化的性能。
同樣，在在生物醫藥領域，中子散射可以幫助我們看清蛋白質的內部結構。和X射線只能看結晶狀態下蛋白質結構不同，中子散射裝置可以觀察蛋白質在人體內複雜液體環境下的結構。中子散射也是唯一的可以無損檢測碳纖維、螺旋槳葉片等先進材料內部結構的研究手段。在能源材料領域，氫動力汽車無疑比以汽油為燃料的汽車更加節能環保。如何實現氫氣的穩定儲存？我們希望把氫氣變成密度更高的固體。最簡單的辦法是給氫氣加壓，但有容易引發爆炸的危險。有其他辦法么？現代科學家用一種金屬-有機框架（MOF）材料，可以把氫氣吸進去，要用的時候就把氫氣釋放出來。中子散射可以幫助科學家研究，氫氣在金屬的什麼位置，什麼情況下氫氣可以更好地釋放。
把輸油管道放到散裂中子源裝置進行研究
產生中子有兩種方式：一種是看起來威力很大的「核反應堆」，利用鈾235通過核裂變反應產生中子，但這種方式對於安全性是很大的威脅，於是科學家設計了第二種產生中子的裝置——散裂中子源。其原理是把質子加速到一定的能量，把質子束當成「子彈」，去轟擊原子係數很高的重金屬靶，金屬靶的原子核被撞擊出質子和中子，科學家便通過特殊的裝置「收集」中子，開展各種實驗。散裂中子源的好處在於，加速質子使用的是高壓電場，只要切斷電源，質子就會立即停止轟擊金屬靶，不會有任何放射性污染且可控，因此是最安全的產生中子的方式。
中國散裂中子源加速器裝置
中子散射用處如此之大，因此世界上發達國家都在建設散裂中子源。目前國際上已經建成的有英國散裂中子源、美國散裂中子源和日本散裂中子源。中國散裂中子源於2011年在廣東東莞建設，今年將竣工並對外開放。
（本文根據高能所研究員程賀在東莞大朗一中的科普講座內容整理，整理人：張瑋）
來源：中國科學院高能物理研究所
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