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(xì)胞

埃博拉病毒

　　在沒有產(chǎn)生科學(xué)之前，人類用肉眼去觀察和理解世界。同樣都是由“碳”元素構(gòu)成的物質(zhì)，金剛石和石墨的物理性質(zhì)卻有很大的差別，原因是什么？

閃閃發(fā)亮的鉆石

　　閃閃發(fā)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(jié)構(gòu)排列，如果換一種排列方式，便組成了我們?nèi)粘Ｊ褂玫你U筆芯的材料——石墨。由此看來，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)的性質(zhì)。

　　如何觀察物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)？中子散射是一種強(qiáng)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(zhì)，可以反射、折射、衍射、吸收。也具有粒子的性質(zhì)，可以彈射、散射等。中子由于不帶電，能比其他探測方式更為輕松地穿透物質(zhì)。中子束打到被研究的樣品身上，大多數(shù)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(fā)生相互作用，其運(yùn)動方向也會發(fā)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(zhì)發(fā)生作用時能量和動量的變化，就可以反推物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

中子對物質(zhì)（甚至是很厚金屬容器）有很強(qiáng)的穿透性

　　為什么木頭是硬的？為什么橡膠富有彈性？科學(xué)家們在不停地探索組成物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，這需要一系列的研究手段來幫助我們。我們借助光學(xué)顯微鏡可以看到一微米以上尺度的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，例如細(xì)胞、花粉。而要看到更小、甚至原位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以借助于中子散射手段。

　　中子和X射線一樣，具有穿透性。我們在機(jī)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(shù)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(dú)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”里面的東西。就像《西游記》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(xié)助考古人員對文物進(jìn)行無損研究，例如我們想知道我國南北朝時期的佛像，其制造工藝是如何？我們顯然無法把文物大卸八塊進(jìn)行分析。科學(xué)家用中子成像技術(shù)，可以看到佛像的中間有一根木制“主梁”。原來，中子對輕的元素，也就是原子系數(shù)小的元素非常敏感，中間的棍子是木頭做的，也就是碳?xì)浠衔?，中子可以輕易地“看到”它?？茖W(xué)家也終于明白，這尊佛像的制造工藝和蓋房子很像，先在中間立一根木梁，在木梁周圍纏上“支撐架”，最終用黏土制成了佛像。

中子散射可以對文物進(jìn)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(jī)構(gòu)。例如98年的德國高鐵事故之后，科學(xué)家陷入了對事故原因分析的爭議當(dāng)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于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(fā)現(xiàn)是由于車輪的老化導(dǎo)致事故的發(fā)生。

利用中子散射研究火車車輪

　　在英國散裂中子源，科學(xué)家把整個飛機(jī)機(jī)翼吊裝到儀器的測量部位，直接觀察在什么加工工藝下，機(jī)翼的各個部分結(jié)構(gòu)才能得到最優(yōu)化的性能。

　　同樣，在在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，中子散射可以幫助我們看清蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。和X射線只能看結(jié)晶狀態(tài)下蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，中子散射裝置可以觀察蛋白質(zhì)在人體內(nèi)復(fù)雜液體環(huán)境下的結(jié)構(gòu)。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(jìn)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究手段。在能源材料領(lǐng)域，氫動力汽車無疑比以汽油為燃料的汽車更加節(jié)能環(huán)保。如何實(shí)現(xiàn)氫氣的穩(wěn)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，但又容易引發(fā)爆炸的危險。有其他辦法么？現(xiàn)代科學(xué)家用一種金屬-有機(jī)框架（MOF）材料，可以把氫氣吸進(jìn)去，要用的時候就把氫氣釋放出來。中子散射可以幫助科學(xué)家研究，氫氣在金屬的什么位置，什么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(jìn)行研究

　　產(chǎn)生中子有兩種方式：一種是看起來威力很大的“核反應(yīng)堆”，利用鈾235通過核裂變反應(yīng)產(chǎn)生中子，但這種方式對于安全性是很大的威脅，于是科學(xué)家設(shè)計了第二種產(chǎn)生中子的裝置——散裂中子源。其原理是把質(zhì)子加速到一定的能量，把質(zhì)子束當(dāng)成“子彈”，去轟擊原子系數(shù)很高的重金屬靶，金屬靶的原子核被撞擊出質(zhì)子和中子，科學(xué)家便通過特殊的裝置“收集”中子，開展各種實(shí)驗。散裂中子源的好處在于，加速質(zhì)子使用的是高壓電場，只要切斷電源，質(zhì)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(chǎn)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(fā)達(dá)國家都在建設(shè)散裂中子源。目前國際上已經(jīng)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。中國散裂中子源于2011年在廣東東莞建設(shè)，今年將竣工并對外開放。

　?。ū疚母鶕?jù)高能所研究員程賀在東莞大朗一中的科普講座內(nèi)容整理，整理人：張瑋）