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“超级显微镜”:探秘中国散裂中子源

2017-05-03 10:46
孤身万里游
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散裂中子源产生强脉冲中子,通过测量中子束流在样品的散射反应过程,探测样品原子核的位置和运动状况,为材料科学技术、生命科学、物理、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域的研究和工业应用提供先进的研究平台。中国散裂中子源是我国“十二五”期间建设的规模最大的大科学装置,将成为世界上第四台脉冲式散裂中子源。散裂中子源和利用X光探测核外电子来研究物质结构的同步辐射装置互为补充,都是研究物质结构的强有力工具。

中子散射:微观世界研究利器

1932年,查德威克发现了中子,人们认识到原子核由带正电的质子和不带电的中子构成。中子的发现及应用是20世纪最重要的科技成就之一。

当中子入射到样品上时,与它的原子核或磁矩发生相互作用,产生散射。通过测量散射的中子能量和动量的变化,可以研究在原子、分子尺度上各种物质的微观结构和运动规律,告诉人们原子和分子的位置及其运动状态。这种研究手段就叫中子散射技术。

做一个较为形象的比喻,假设面前有一张看不见的网,我们不断地扔出很多玻璃弹珠,弹珠有的穿网而过,有的则打在网上,弹向不同的角度。如果把这些弹珠的运动轨迹记录下来,就能大致推测出网的形状;如果弹珠发得够多、够密、够强,就能把这张网精确地描绘出来,甚至推断其材质。

由于中子不带电、具有磁矩、穿透性强,能分辨轻元素、同位素和近邻元素,具有非破坏性,这些特性使得中子散射成为研究物质结构和动力学性质的理想探针之一,是多学科研究中探测物质微观结构和原子运动的强有力手段。

优势互补:同步辐射和中子源

同步辐射产生的高亮度X射线,主要与原子外围的电子云发生相互作用,从而探知物质的微观信息;而中子是电中性的,它与电子云基本不发生相互作用,主要与物质中的原子核相互作用。因此,作为探测微观结构的两种主要探针,同步辐射和中子散射看到的正好是物质的两个不同的方面。这种优势互补,已经被许多学科用来准确地研究物质中原子的位置、排列、运动和相互作用等。

Al2(PO3CH3)3(甲基沸石)的结构

——红、白色部分分别是同步辐射和中子散射的结构分析结果

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