去年八月，我国“十二五”期间建设的规模最大的大科学装置、位于广东东莞的国家大科学工程—中国散裂中子源（CSNS）首次打靶成功，获得中子束流。作为探索物质微观结构的‘超级显微镜’，中国散裂中子源将在2018年春按计划全部完工。建成后，散裂中子源将为我国物理、化学、材料、医疗等诸多学科领域科研提供有力支撑，并为解决国家可持续发展和国家安全战略需求提供先进平台。

今后，中山大学物理学院将与散裂中子源在中子散射谱仪建设、省部级联合重点实验室建设、人员交流、学生培养等方面展开一系列合作。而我院微信公众号将推出系列文章对散裂中子源进行科普介绍。

首先让我们了解一下，中子如何成为我们观测微观世界的“超级显微镜”的呢？

中子与“超级显微镜”

日常生活中，我们测量某个物体的大小需要用到“尺子”；而 “尺子”的测量精度，取决于相邻两刻度线间的距离——我们称之为“最小分度值”。

日常生活中所使用的刻度尺，可以告诉我们一本书有多厚，一支笔有多长，却无法展示一根头发丝有多细，一个细胞有多小。

这是因为书的厚度，笔的长度往往是cm量级的，大于等于刻度尺的最小分度值mm量级；而头发或细胞的直径是μm量级的，用最小分度值为mm量级的尺子无法分辨比它小的μm甚至nm量级的距离。

图片来自网络

对于尺寸在μm量级的细胞，我们虽然无法用肉眼直接观测，但通过光学显微镜的放大，也能看到这些生命基本单元的本来面目。在这里我们所使用的“尺子”是，其最小分度值是光波的波长。可见光波长通常在380-780nm左右，小于细胞的μm量级，因此才能实现有效观测。

然而，当对象变为细胞内的分子，比如细胞核内DNA分子的结构时，光波便无能为力了。我们需要借助波长更短的Ｘ射线来帮忙。X射线的波长在0.001nm到10nm之间。它不仅能“看”到原子的排布，还能“感受”到原子的相互作用力，是认识物质微观结构的利器。

电磁波谱示意图   图片来自网络

更进一步，我们根据量子力学知道，万物皆有波动性。这些波的波长与物体的质量和能量有关。除了使用电磁波，我们还可以使用一些高能粒子所对应的波来当做微观世界的“尺子”。中子便是我们可以使用的其中一种微观粒子，它能够比x射线更好地探测物质的微观结构。与X射线相比，中子具有以下明显的特点。

中子不带电荷。因此，与物质相互作用时，中子几乎不受原子核外电子的影响，被散射的可能性主要取决于原子核的性质，相互作用相对较弱。

中子散射技术示意图  图片来自网络

这种相对弱的相互作用带来三个优势：

一是中子的穿透能力较强。中子散射是对大系综的统计结果，研究的是体效应，更容易接近研究对象的本质；而且易于加载高温、高压和强场等样品环境设备，开展极端条件下物质结构和动态的研究。

二是中子对研究体系的扰动十分微弱。其散射结果基本上可在量子力学一级微扰的框架内得到合理的解释，便于与分子（晶格）动力学的数值模拟比较。

三是中子对物质的破坏很小。更有利于研究生物活性体系。

中子的另一特点是可以区分同位素。同一元素的同位素，其核外电子数完全相同，对X射线的散射也基本相同。但原子核内中子数的变化可以极大地影响其对中子的散射。最具代表性和实用性的是氢的同位素效应：人们常称之为同位素衬度法。该方法有利于研究储氢材料和富含氢原子的生物、有机材料等。

氢同位素示意图   图片来自网络

此外，中子有磁矩，磁性物质对它能产生磁散射，其散射强度与核散射强度相当。这样中子就可以直接探测物质微观磁结构。不仅能测量局域磁矩的对称性，还可测量磁矩的空间密度的分布。

中子的能量远低于相同波长的X射线。因此，与凝聚态物质中大部分动态过程的能量相当。这种能量范围适合测量晶格振动、磁相互作用、原子分子扩散、有机和生物大分子的微观大运动（如聚合物的同构相变、蛋白质折叠）等多种动态过程的激发，从而更深刻地揭示物质的本质。

正是凭借着这些的优势，中子散射成为了研究物质微观结构和动态的理想工具，广泛地应用于凝聚态物质研究和环境、医疗等诸多领域。

资料来源：

环球物理——“中子”的功能如此强大，你知道吗

网易新闻——中国散裂中子源有什么用？你想了解的都在这儿了

果壳科学人——厉害了，中国人自己的散裂中子源！

编辑：老鸵

校对：红酒皇

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