探索微观世界的超级显微镜（开卷知新）

 

　　图为中国散裂中子源靶站

 

 

　　图为中国散裂中子源环设备楼。
　　中国散裂中子源供图
　　制图：蔡华伟

 

　　你知道怎样破解航空发动机的“心脏病”吗？那就要克服制约其性能的最大瓶颈之一——叶片金属疲劳。金属也会疲劳，每分钟几万转，转得久了，就存在裂碎风险。散裂中子源可以用于航空发动机叶片应力测试，以探测和预防金属疲劳。

　　你知道分布于深海或陆域永久冻土中的可燃冰吗？要想安全开采、储藏、运输和利用可燃冰，就需要了解它的结构和性质。可燃冰是甲烷与水在高压低温条件下形成的结晶物质，科学家必须将其放在很厚的金属容器内，模拟千米水深下的巨大压力。中子对组成可燃冰的碳氢化合物最敏感，通过散裂中子源就可以隔着厚厚的金属容器进行可燃冰研究。

　　研究电动汽车的电池性能，研究催化剂的作用机理，研究芯片的单粒子效应，研究高温超导材料的自旋涨落，在这些领域，散裂中子源都能发挥关键作用。

　　在广东省东莞市松山湖科学城，紧邻高速公路，有一片依山而建、造型独特的建筑群，山坡上矗立着“中国散裂中子源”几个大字。中国散裂中子源（CSNS）是我国首台、世界第四台脉冲型散裂中子源，为国际前沿基础科学研究和国家发展战略诸多领域提供先进的中子散射研究和应用。它的成功建设，填补了国内脉冲中子源及应用领域的空白，技术和综合性能进入国际同类装置先进行列，显著提升了我国在相关领域的技术水平和自主创新能力。

　　中子是探索微观世界的理想“探针”

　　物理学在过去一个世纪经历了三次大的跨越，从原子物理深入到原子核物理，再深入到粒子物理。100多年前，科学家发现原子由原子核和电子组成，后来又发现原子核由质子和中子组成，从20世纪60年代开始，科学家逐步发现组成原子核的质子和中子是由更深层次的粒子——夸克组成的。

　　应该说，这三次大的跨越产生丰硕成果，在不断深入到物质微观结构新层次的研究过程中，物质结构理论取得重大突破，并且带动重大技术发明，转化成巨大生产力。我们现在用的半导体、电视、手机、计算机、激光以及全球定位系统，都是以20世纪物理学的研究成果为基础发展起来的。

　　如何去研究微观结构呢？我们在中学生物课上用显微镜来看花粉、看细胞。如果想看再精细一些的结构，可以用电子显微镜。更精细的，就要用到我们称之为超级显微镜的散裂中子源、同步辐射光源等。散裂中子源作为一台超级显微镜，是以中子为“探针”，看穿材料的微观结构。

　　中子具备一些特性，如不带电，但是有磁矩；能够探测原子核的位置，探测同步辐射所不敏感的轻元素，比如碳、氢、氧、氮等元素的位置；穿透能力非常强，能够用来原位研究大的工程部件的残余应力和金属疲劳；可以探测物质结构的微观动态过程等。因此，它被科学家视作探索微观世界的理想“探针”。当中子与被研究对象的原子核相互作用而改变运动方向时，科学家通过分析散射中子的轨迹、能量和动量变化，就能反推出物质的结构。这就好像我们不断往一张看不见的网上扔弹珠，有的弹珠穿网而过，有的则打在网上，弹向不同角度。如果记录下这些弹珠的运动轨迹，就能大致推测出网的形状。如果弹珠扔得够多、够密、够强，就能把这张网的组成精确地描绘出来。

　　大科学装置是国之重器、科技利器