肉眼“看”晶体结构：X射线散射和中子散射的作用

新华网 2017-08-11 作者：吕芮光

X射线与中子射线

一、X射线的发现与应用

1.X射线是什么

X射线（英语：X-ray），又称伦琴射线、爱克斯射线或X光，是波长很短的一种电磁波，其特征是波长非常短，频率非常高。它是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的粒子流，波长介于0.01纳米到10纳米之间（对应频率范围30PHz到30EHz），是一种介于紫外线和γ射线之间的电磁辐射。光学光谱是原子中外层的电子跃迁时发射出来的，而X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，X射线在电场磁场中不发生偏转。因此，X射线是不带电的粒子流。

这种肉眼看不见的射线穿透本领非常高，能穿透许多对可见光不透明的物质，如墨纸、书本、木料等，还可以使许多固体材料产生可见的荧光，使空气电离以及照相底片感光等效应。

产生X射线的装置

2.X射线的发现

1895年11月8日晚，威廉·康拉德·伦琴在研究阴极射线的一次实验中，为了防止外界光线对放电管的影响和管内的可见光外漏，确保实验的精确性，他事先把各种实验器材用锡纸和硬纸板都包裹得严严实实。他让阴极射线从一个没有安装铝窗的阴极管透出，可是，让他惊奇的是，对着阴极射线发射的一块涂有氰亚铂酸钡的屏幕（这个屏幕用于另外一个实验）在闪光，而放在电管旁边的一叠严密封闭的底片也变成了灰黑色，这说明底片已经曝光了！

这个一般人很容易忽略的现象，引起了威廉·康拉德·伦琴的注意和好奇，并让他产生了浓厚的兴趣，他反复又做了几次这个实验，结果是一样的，那个屏幕确实在发光。他陷入了沉思，他想：底片的曝光，充分说明放电管发出了一种穿透力极强的射线，但绝不是阴极射线，而是一种新的射线，这种射线甚至能穿透装底片的袋子。但还不知道它到底是什么射线，于是给它取名“X射线”。

于是，威廉·康拉德·伦琴开始对这种神秘的X射线进行研究。他先将一个涂着磷光物质的屏幕放在放电管与屏幕之间，重复上面的实验，结果发现屏幕立即发出了光。接着，他又拿一些平时不透光的书本、橡皮板和木板等较轻物质，放在放电管与屏幕之间，企图挡住那束看不见的神秘射线，可是却不能挡住它，屏幕上几乎看不见任何阴影，甚至连15毫米厚的铝板它也能轻而易举地穿透！最后他把一块厚厚的金属板放在放电管与屏幕之间，屏幕上终于出现了金属板的阴影。看来太厚的物质这种射线还是没有能力穿透。通过实验他还发现，铅板和铂板能挡住这种光线使屏不发光；当接通阴极管时，放在旁边的照相底片即便用厚厚的黑纸包起来，也将被感光。

接下来，威廉·康拉德·伦琴又发现更加神奇的现象，一天晚上他的妻子来实验室看他，当时他要求妻子用手捂住照相底片，然后用X射线对准照射15分钟，显影后，夫妻俩惊奇地发现，底片清晰地呈现出他妻子的手指骨头和戒指的影像。

双手X光图片

1896年1月5日，很多X射线的照片在柏林物理学会会议上展出，同时，维也纳《新闻报》也刊登了发现X光的消息。这一伟大的发现立即很快传遍全世界，并引起了人们极大的关注。在随后几个月里，数百名的科学家对此进行调研，一年之内竟有上千篇关于X射线的论文问世。

3.X射线的应用

尽管是威廉·康拉德·伦琴发现了X射线，但当时没有任何人知道这种射线究竟是什么。1906年，实验证明，X射线其实是一种光长非常短的电磁波，比光波还短，因此能够产生干涉、衍射现象。它的发现为物理学的重大变革提供了重要的证据。最初，X射线用于医学成像诊断和X射线结晶学，目前，X射线不仅广泛应用于医学中的诊断和治疗，成为人类战胜疾病的有力武器，还用于工业上的非破坏性材料的检查。正因为如此，1901年威廉·康拉德·伦琴获得了诺贝尔奖，他是世界上第一个荣获诺贝尔奖物理奖的人。人们为了纪念威廉·康拉德·伦琴，将X射线命名为伦琴射线。

特别提醒的是，X射线是游离辐射等类型的射线，对人体有辐射的危害。

二、中子射线

中子射线就是中子流，中子为原子核的基本粒子之一。原子核在受到外来粒子的轰击时，会产生核反应，从原子核里就会放射出中子，从而形成中子射线。因此，中子射线的辐射源为核反应堆、加速器或中子发生器。

按能量的大小中子分为：快中子、慢中子和热中子。中子的电离密度较大，常常引发大的突变。在辐射育种中，应用比较多的是热中子和快中子。

探测晶体结构的法宝

晶体结构是晶体的微观结构，指的是晶体中的实际质点——原子、离子或者分子的具体排列情况。

自然界的固态物质可分为晶体和非晶体。晶体多为固态的金属与合金。晶体与非晶体的最本质的差别在于：组成晶体的原子、离子、分子等质点的排列是规则，而非晶体中的质点基本上是无规则地堆积在一起。多数情况下，金属及合金多以结晶状态使用。晶体结构是固态金属的物理、化学和力学性能的基本决定因素之一。那么怎样才能看见原子等质点在材料中的排列呢？

原子的直径约10-10米，可是人眼能看到的最小尺寸一般在0.1毫米左右，仅仅是头发丝样的粗细，而最好的光学显微镜放大倍数也仅仅是1000倍。那么，怎样才能看到原子等质点在材料中的分布和排列的呢？科学家为此找到了一些特殊的方法。

1.X射线衍射

前面已经讲过，X射线的波长介于1纳米（10-9米）到0.01纳米之间，这与原子的尺度几乎相近，同时X射线还具有非常强的穿透力。因此，科学家们利用X射线衍射构造成更为精细的显微镜。

X射线是一种波长恰好在原子尺度的电磁波，当它以特定的角度射入到晶体材料中时，就会被排列规则的原子层反射。反射过程遵循布拉格定律，即只有当原子层间距与入射波长满足固定方程时，才会产生出射波。因此，通过对不同入射角度或出射角度下的X射线进行探测，就可得到材料内各种可能的原子层间距，从而依此就可以进一步推算出原子的排列方式。可见，X射线衍射，犹如给观察者戴上了一副精巧的“眼镜”，可以通过“透视”来“感知”原子在晶体材料中的排列方式。

2.中子散射

除X射线衍射外，我们还可利用中子散射来探测原子的排列方式，中子是电中性的（没有净电荷），将会主要被原子核反射，因此能够非常精细地确定原子的位置。中子还带有磁矩，所以它还具有另一个独一无二的功能——探测材料内部磁矩的排列方式，研究固体磁性的起源。

X射线和中子的散射还可用以研究材料内部原子或电子的动力学性质。例如，原子的热振动、电子的运动方式、电子和原子核之间的相互作用、电子和电子间的相互作用过程等一系列的问题。这些动力学过程就是材料宏观上的热、电、磁等性质在微观下的表现形式，通过对它们的研究，可帮助和促进我们理解材料的性质，指导我们寻找更加适于应用的材料。

X射线散射和中子散射是现代凝聚态物理研究的重要手段，它们的实现是依赖于大型科学装置（如同步辐射和核反应堆等）提供X射线光源和中子源。已经建成的中国上海光源和正在建设的中国散裂中子源就是为此服务的。

观察准晶体的结构

奇妙的准晶体

准晶体是由两种或两种以上的不同晶体结构结合在一起的产物，可以通过金属合金液体在高温下迅速冷却获得，是介于晶体和非晶体之间的一种固体。不同的晶体通过组合，可能会产生这些具有独特对称性的材料。与晶体一样，准晶体也具有规则的外形，且形状非常奇怪。

准晶体的发现展现出了大自然的种种奇妙之处，因此，2011年准晶体的发现者、以色列科学家谢赫特曼获得了诺贝尔化学奖。

上海光源——X射线实验的大型社区

在现代社会中，X射线具有非常丰富的用途。上海光源是中国目前最大的大科学装置和大科学平台，是一个高性能的第三代同步辐射光源，等同于一个大型的科学实验社区。上海光源能够进行从元素成分分析、晶体结构分析、微观动力学过程观测到人体透视和生物透视等重要的科学研究和实用研发项目，来自全世界各学科的科学家，在此进行基础研究和技术开发。