[科普中国]-热中子非弹性散射

概述

能量在几百到几毫电子伏范围的热中子入射到各种物质上发生能量改变的散射效应。热中子对大多数物质都具有良好的穿透性，它的动能同处在一般温度下物质内部分子或原子的振动、转动、扩散等运动的能量相近，可以通过热中子在这些原子、分子上的一次散射后所发生的能量变化情况来得到它们的运动情况。而由于中子束还兼具粒子流的特点，中子本身不带电荷，具有磁矩，对同位素灵敏，因而同X 射线、红外线、超声波技术等手段相比，热中子非弹性散射技术常常能测定一些用这类"常规"技术测不到的数据，从而得到人们的重视。60年代以来，随着强中子源（反应堆、加速器）的发展，这一技术获得了很大的进展。已形成了一个比较成熟的边缘学科，它的应用涉及固体物理、磁学、化学、冶金等许多领域。

测量方法大体分两种，一种是利用中子衍射方法从连续性中子源(反应堆)获得单能中子入射到样品上，并通过同样方法来分析散射后的中子能量分布，这就是通常所谓的三轴谱仪；另一种是引用核技术中的飞行时间方法，利用飞行时间技术获得和分析入射、出射中子的能量，这就是通称的飞行时间谱仪。它除了可以配合适当的设备用于连续性中子源外，还适用于强的脉冲中子源，因而具有较好的发展前景。

在发展的初期，中子非弹性散射主要用于点阵动力学研究，首先是利用非弹性相干散射测定晶体样品整个布里渊区内的声子色散关系，从而获得点阵原子间相互作用力的资料。仍在大量进行这方面的工作，但多半已同另一些专题(例如软模相变、超导声子谱软化等)相联系；随着中子源强度和实验技术的改善，也开始将此方法应用于某些较复杂的系统(如聚合物和液晶)的研究。同声子色散工作相类似的是利用中子和磁性原子之间的非弹性相互作用测定磁性材料的自旋波色散关系，为研究原子间的磁相互作用提供了重要信息，在利用中子非相干散射上，利用热中子非弹性散射技术可以测定各种媒质的声子谱，它也是这方面的主要工作之一。

在动态性能方面，非弹性散射还非常适合于测定液体或者某些材料（例如金属氢化物、超离子导体等）中离子的扩散运动过程，它们在实验上通常也称为准弹性散射研究。

在不考虑散射中子的动量改变而仅观察其能量变化的情况下，热中子非弹性散射技术近似于喇曼谱学，但由于中子和物质的作用和电磁波不同，中子技术往往由于不受喇曼和红外跃迁禁戒律的限制而观察到更多的谱线，它在分子谱学、化学和材料研究上都很有用。

热中子非弹性散射技术的主要缺点是设备庞大和源强度弱，因而常需较大的样品，较长的测量时间和相对高的费用。

应用金属氢化物的热中子非弹性散射谱以金属（或合金）氢化物的形式来贮氢是近十几年来迅速发展起来的研究领域。一系列的具有优良性能的贮氢合金。对La-Ni系氢化物的宏观热力学性质和动力学行为已作了不少研究，在微观结构方便应用中子和X射线衍射技术也有一些报道，但对此体系的热中子非弹性散射的研究报道很少。由于热中子非弹性散射谱可给出体系中原子（或分子）振动状态的微观结构，从而反映出各原子间的受理情况。氢对中子非弹性散射很敏感（b=79.9bar，中子对氢的非弹性散射几率要比其它元素大几十倍），故用中子非弹性散射研究金属（或合金）氢化物的微观动态和M-H键的大小是具有很大的优越性。研究了LaNi4.5Mn0.5Hx合金体系，得到了在三种不同氢含量下的热中子非弹性散射谱，给出了其内部的动力学结构，并说明了Mn元素置换了LaNi5中的部分Ni元素后，M-H键的增强，从而导致LaNi4.5Mn0.5的平台压力下降的宏观现象。1

热中子非弹性散射及其在材料科学中的应用热中子非弹性散射的研究对象是凝聚态物质，材料当然是属于凝聚态物质，但是某一种材料问题的解决，绝不是只用一种实验技术，而是需要多种方法和技术的联合才能解决。概括地说，对于材料科学，热中子散射可以在以下三个方面做出它的贡献。

（1）材料的微观参量测定；

（2）材料科学中的基本关系式的研究；

（3）材料科学中基础理论的研究。

以上只是热中子非弹性散射研究的一部分。热中子非弹性散射从1960年召开第一届国际学术会议到已有二十多年的历史。它所研究的领域，从反应堆慢化剂材料（包括固态和液态）发展到固体物理、化学、高分子聚合物以及生物物理等许多学科领域。对于材料科学来说，它还是处于开始阶段，今后还会发展。2