淺談“神探”中子

黃蔚玲

中國散裂中子源 是國家“十一五”期間重點建設(shè)的十二大科學(xué)裝置之首，

它產(chǎn)生的中子可以探察小到手機芯片，大到深海潛水器外殼的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，

為材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)化工、環(huán)境與能源等領(lǐng)域的研究提供技術(shù)支持。

什么是散裂中子源？為什么要建造散裂中子源？

這其中蘊含著怎樣的物理學(xué)原理呢？

研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“得力干將”：中子

中子，廣泛存在于自然界中，除氫原子外幾乎所有物質(zhì)的原子內(nèi)部都有中子，但它被人類發(fā)現(xiàn)卻還不到100年。

自從1895年德國物理學(xué)家威廉·康拉德·倫琴發(fā)現(xiàn)X射線（因此獲得1901年諾貝爾物理學(xué)獎），1897年英國物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆遜在研究陰極射線（電子流）時發(fā)現(xiàn)電子（因此獲得1906年諾貝爾物理學(xué)獎）之后，微觀世界的大門逐漸向人類敞開，這其中發(fā)生了很多有趣的小故事。

例如，英國物理學(xué)家盧瑟福用α粒子（氦原子核，帶正電）轟擊金箔后發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)α粒子穿過金箔，偏轉(zhuǎn)角度很小，但大約有1/8000的α粒子偏轉(zhuǎn)角大于90度甚至150度。這個現(xiàn)象無法用湯姆遜假設(shè)的“葡萄干面包”式原子模型（如左上圖）來解釋，于是盧瑟福在1911年提出行星式結(jié)構(gòu)模型，即在原子的中心有一個很小的核，叫作原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間繞著核旋轉(zhuǎn)。

后來，德國物理學(xué)家瓦爾特·博特和貝克用α粒子轟擊金屬鈹時發(fā)現(xiàn)了一種穿透力很強的射線。英國物理學(xué)家查德威克認(rèn)為這種射線是由中性粒子組成的，并通過實驗測出了這種粒子的質(zhì)量（與質(zhì)子質(zhì)量相近），他稱這種粒子為“中子”，并因此獲得了1935年的諾貝爾物理學(xué)獎。……