[科普中国]-中子散射方法

中子散射方法，是指中子散射技术中用于研究物质静态结构和微观动力学性质的方法，它是研究物质微观结构和动态的理想工具之一，广泛地应用于凝聚态物质研究和应用的众多学科领域。中子散射的实验方法主要包括中子衍射、中子小角散射和中子反射技术以及非弹性散射和准弹性散射技术。

背景人类对物质结构在原子尺度上的认识可追溯到20世纪初，德国物理学家劳厄和英国物理学家布拉格父子以其敏锐的物理思想，创造性地发明了X射线衍射技术，打开了探索微观世界的大门，使人们能够测量而不是推测物质中原子的排列规律，如原子间的距离和其空间位置之间的关系，即对称性等。现在大型第三代同步辐射装置能为物质结构的研究提供超强的X射线源，不仅为X射线的物质结构研究拓展了空间（如样品量极少的薄膜、蛋白质单晶等），同时也为开展物质结构的动态研究提供了方便。但是，正如其他所有有效工具一样，X射线本身也有其局限性。如X射线衍射难于精确测定物质中较轻原子的位置;X射线能量过高，难于研究物质中如原子分子的转动和振动、蛋白质折叠等相对能量较低的动态特征;破坏生物样品的活性等。中子散射，这项新的技术可以弥补X射线的上述缺陷1。

中子散射技术1943年，美国为了执行Manhattan计划（第二次世界大战时期美国研制原子弹的计划，英国和加拿大也参与了该计划），建造了一批反应堆。战争结束后， 其中有些反应堆开始用于基础研究。 1946年，美国Oak Ridge实验室的科学家Wollan， Shull等首先在Clinton反应堆上开展了中子衍射工作。这个工作代表了中子散射的一个方面，即用中子散射方法研究物质的静态结构； 1950年前后，加拿大Chalk River实验室科学家Brockhause开始用中子非弹性散射研究晶格动力学，开创了中子散射技术的另一个方面，即利用中子散射研究物质的微观动力学性质。通常说的“中子散射技术”是这两方面工作的总称。

利用中子散射技术研究物质静态结构的目的是从微观层次上了解物质中的原子位置和排列方式。它的实验方法包括中子衍射及后来发展的中子小角散射和中子反射技术。物质微观动力学性质学研究的目的在于了解物质中原子、分子的运动方式和规律。它的实验方法包括中子非弹性散射和准弹性散射技术。

随着反应堆中子注量的提高和散裂中子源的发展以及计算机和实验技术的进步，中子散射技术也日臻完善，作为一种研究工具，它的应用已涉足于物理、化学、化工、生物、地矿和材料科学等研究领域。它在结构研究方面不仅可以弥补X射线之不足，而且迄今为止在磁结构、动力学特性研究方面，它的作用是其他方法不能代替的2。

原理中子散射的实验方法主要包括中子衍射、中子小角散射和中子反射技术以及非弹性散射和准弹性散射技术。其中，中子衍射、中子小角散射和中子反射技术用于物质结构研究，它们都利用了波的干涉原理，均属于弹性散射，散射后中子能量不发生变化，因此，实验上无需分析散射(或反射)中子能量，只需要测量散射（或反射）中子强度随散射矢量的变化。非弹性散射和准弹性散射技术用于物质微观动力学性质研究。

中子衍射中子衍射的原理和X射线衍射相同。大多数固体都是晶体，晶体中有序排列的原子对中子波而言相当一个三维光栅，中子波通过它会产生衍射现象，散射波会在某些特定的散射角形成干涉加强，即形成衍射峰。峰的位置和强度与晶体中的原子位置、排列方式以及各个位置上原子的种类有关。对于磁性物质，衍射峰的位置还和原子的磁矩大小、取向和排列方式有关。

液体和非晶态物质的结构没有长程有序，它们的散射曲线不会出现明显的衍射峰。但由于结构中存在短程有序，所以还会在散射曲线中出现少数表征短程有序的矮而宽的小峰，它们仍然可以从统计的意义上为我们提供液体和非晶物质最近邻配位原子的信息。

因此，可以利用中子衍射研究物质的结构和磁结构。

中子小角散射中子小角散射是在冷中子源出现以后发展起来的实验技术。在有些情况下，物质中会存在某些大于原子间距离的、尺寸大约在1~100 nm左右的结构单元，例如生物大分子、聚合物分子、有机分子团、材料中的缺陷、空穴、位错、沉淀相以及磁的不均匀性等。它们的存在造成物质中散射长度密度的涨落，形成一些散射长度密度的不均匀体，会在零度散射角附近形成特定的散射曲线。这就是小角散射现象。分析小角散射曲线，可以获得这些大尺寸结构单元的尺寸、尺寸分布、构形、回旋半径、表面积、体积、分子量等信息。

中子反射技术中子波和光波一样，在穿过不同折射率的两种介质时，一部分中子将透过界面继续传播，另一部分将在界面发生镜反射。

中子由空气进入大多数物质表面时将会发生全反射，不同波长的中子在不同介质中的全反射临界角通常小于1°。当入射中子的掠入射角（入射中子束与物质表面间的夹角）大于全反射临界角后，反射率随掠入射角增大而迅速下降。反射率的变化与介质对中子的折射率有关，而折射率又与介质的散射长度密度有关。因此，它可以提供介质沿表面垂直方向的化学成分及密度变化以及介质表面粗糙度等信息。

非弹性散射研究物质微观动力学性质的目的在于获取物质中原子、分子的运动规律。研究内容包括晶格振动、磁矩扰动、分子的振动、转动、扭曲等现象。研究这些现象需要采用中子非弹性散射实验。非弹性散射是指散射前后中子能量有变化的散射过程。对非弹性散射，中子和原子、分子一次碰撞中能量的变化就是原子、分子从中子吸收或交付给中子的能量。所以只要分析散射中子的能谱，就能获知原子、分子的能谱。

准弹性散射处于扩散运动中的原子、分子在对中子散射时， 由于多普勒效应，弹性散射中子的能量会产生微小的变化，形成准弹性散射。因此，准弹性散射可以用来研究原子、分子的扩散运动。测量准弹性散射要求谱仪有较高的分辨率，通常要用背散射谱仪、自旋回声(spin echo)谱仪或高分辨飞行时间谱仪2。

特点中子散射技术中的许多实验方法，如中子衍射、中子小角散射、中子反射技术等都是在相应的X射线实验方法的基础上发展起来的。有了X射线分析方法还需要发展中子散射技术的原因在于中子散射有自己的特点，这些特点恰好弥补了X射线分析固有的缺点，从而使它和X射线分析形成了互补的关系。这些特点可以归纳为：

(1)X射线对原子序数低的轻元素不灵敏，但中子对轻、重元素的灵敏度没有明显的差别；

(2)X射线不能分辨原子序数相近的元素，而中子通常可以分辨；

(3)中子可以区分同位素；

(4)中子具有磁矩，因而可以研究磁性物质的磁结构和自旋动力学。常规X射线分析不能提供磁的信息。近年来虽然己经可以用同步辐射来研究物质的磁结构，但中子作为微观磁结构的研究工具仍然是其他方法无法代替的；

(5)中子对物质有较强的穿透能力；

(6)X射线只能研究物质的静态结构，不能研究动力学问题，这是因为波长在0.1~1 nm左右的X射线，其能量比原子、分子的运动能量高几十万倍，所以不可能用它来研究物质的微观动力学特性2。

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学