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核能科普知識
探尋微觀世界的好幫手——中子散射技術(shù)
時間:2020年05月16日 來源:中國核工業(yè)科技館 點(diǎn)擊量: 分享:

        我們生活在一個豐富多彩的世界里,通過眼睛、耳朵和鼻子來感知周圍的事物,但是所能感知到的遠(yuǎn)不是世界的全部, 這是由于我們的眼睛僅僅能夠感知波長在390至750納米間的“可見光”,觀察到的最小距離只有約0.1毫米。對于更小的物質(zhì),我們必須借助一些工具或手段才能觀測到,例如美麗的花蕊斷面和可怕的新型冠狀病毒。今天,小編就為大家介紹探尋微觀世界的好幫手——中子散射技術(shù)。



花蕊縱斷面

新型冠狀病毒

        對于中子散射技術(shù)我們首先要搞清楚兩個關(guān)鍵,就是中子和散射啦!(廢話)首先簡要說明一下中子。1920年新西蘭著名物理學(xué)家盧瑟福預(yù)言了原子核里除了質(zhì)子外還有某種粒子存在,他給這種粒子取名為中子。12年之后,盧瑟福的學(xué)生查德威克用試驗(yàn)證明了中子的存在,并因此榮獲了諾貝爾物理學(xué)獎,這種不帶電的微粒——中子也被譽(yù)為打開了原子能時代的金鑰匙。而散射在我們的生活中無處不在,例如,晚上打開手電筒,發(fā)現(xiàn)有一束光射出,但那并非光的本身,我們看到的是光與空氣中的顆粒發(fā)生碰撞散射到人的眼睛形成的,舞臺上炫彩的燈光秀也是同樣的道理,可以說,人眼能夠看到不同的事物跟散射息息相關(guān)。

舞臺燈光秀

        而將這兩者結(jié)合起來的中子散射技術(shù)就是利用反應(yīng)堆或加速器產(chǎn)生的中子與物質(zhì)發(fā)生相互作用,研究物質(zhì)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)及物質(zhì)的微觀動力學(xué)性質(zhì)的方法。它能夠告訴我們物質(zhì)或者材料中的原子在哪里,還有它們在做什么。


        講了這么多,那么中子散射技術(shù)到底有哪些應(yīng)用呢?


        在生物領(lǐng)域,科學(xué)家利用中子不帶電,在散射過程中不會產(chǎn)生電離作用的特點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)對DNA的無損測量,使我們能夠更加清楚地認(rèn)識DNA 的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),這對于了解整個自然界和人類自身有著很重要的意義。

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)圖

        在工業(yè)領(lǐng)域中,很多焊接件都是由金屬制成,利用中子散射技術(shù)就可以分析焊接金屬深層的應(yīng)力情況。例如,科學(xué)家利用該技術(shù)分析飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片與渦輪的焊接應(yīng)力,對焊接工藝進(jìn)行指導(dǎo),大幅提高了發(fā)動機(jī)的使用壽命。

飛機(jī)發(fā)動機(jī)部件研究


        在能源領(lǐng)域,鋰離子電池是目前我們最常用的充電電池,手機(jī)、筆記本電腦使用的大都是這種電池。利用中子照相技術(shù)開展鋰離子電池的研究,可以清楚地找到鋰離子的位置,測量鋰的濃度,還可以實(shí)時監(jiān)測電解質(zhì)在充放電過程中內(nèi)部鋰離子的濃度變化等,通過這些數(shù)據(jù),科學(xué)家能不斷對鋰離子電池進(jìn)行改進(jìn),做到高安全性、長壽命和低成本。

商業(yè)鋰離子電池的中子成像



        當(dāng)然,中子散射技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些。中子穿透能力強(qiáng),可以很好地開展文物的材料結(jié)構(gòu)、成分、年代、產(chǎn)地等性質(zhì)研究,為考古領(lǐng)域提供新的強(qiáng)有力的研究手段;在醫(yī)學(xué)與健康領(lǐng)域,通過中子散射技術(shù),科學(xué)家研究植入物涂層的結(jié)構(gòu)和性能,使植入失敗事例的數(shù)目有效減少;利用中子散射技術(shù)研究南極化石則可以幫助我們了解地球環(huán)境與氣候的變化情況……


        總而言之,中子發(fā)現(xiàn)至今已將近100年,其作為微觀領(lǐng)域的探索工具,已經(jīng)開始融入科學(xué)研究和人類生活的方方面面。中子散射技術(shù)作為一種特殊的探測分析技術(shù),在工業(yè)生產(chǎn)和國民生活中發(fā)揮著重要的作用。正因?yàn)橹凶由⑸浼夹g(shù)用處越來越廣泛,很多國家都在積極建設(shè)能夠產(chǎn)生中子的加速器裝置,2018年8 月,我國散裂中子源項(xiàng)目順利通過國家驗(yàn)收,投入正式運(yùn)行,相信未來隨著該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展,物質(zhì)微觀領(lǐng)域的秘密會逐漸展露在世人面前。



來源:中國核工業(yè)科技館

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