揭秘微观世界：散裂中子源的探索

“藏猫猫”的绝顶高手

大家都玩过藏猫猫的游戏，几个人在一起，一个人负责找，另外几个人要分别藏起来，看看是找的人手段高明，可以全部找到大家；还是藏的人更胜一筹，让找的人无所适从。藏猫猫的真正高手，是自己藏时众人难找，找他人时任何人都无所遁形。那么这个世界上最厉害的藏猫猫高手是什么样的呢？其实这位高手就在我们身边，我们周围的一切物质里都藏着这位高手，它就是中子。大家在上物理课时都学过，万物都是由分子构成的，分子是由原子构成的，而原子是由质子、中子、电子构成的，质子带正电荷，电子带负电荷，而中子是不带电的。不带电的中子因为不受电磁场的影响，所以人们发现它要比质子和电子都晚，但也正因为不带电，中子有着自己的独特优势：当中子被射入物质内部遇到一个原子时，因为不带电，既不受原子核外电子云的阻挡，也不会被核内带正电的质子排斥。它可以单刀直入地直接靠近原子核，去获取物质内部原子核层次的信息。所以在藏猫猫的游戏里，中子是找人的大师，无论原子核藏得多么深，它都能如入无人之境找到它，无论物质的内部结构多么复杂，它也能探明。所以这位大师是人们渴望能够利用的，但真想利用它却很难。因为中子还是躲藏的高手，中子和质子质量非常接近，但中子的质量比质子稍大了一点，而处于自由状态的中子是非常不稳定的，很快就会衰变成质子。所以自然界里几乎找不到自由存在的中子，就算找到了，也有数量少、不能存储，很快会消失的问题。几乎所有的中子都被深深地隐藏在原子核里，强大的核力把质子和中子牢牢地捆绑在一起，要想把它们分开，并让中子释放出来，是极度困难的。

因此，人们想要发挥这位“藏猫猫大师”的找寻本领，就必须先把它“抓”出来，才能让它为我们所用。想从原子核中取出中子，人们就需要想办法克服原子核中核子之间的核力。如果用高能质子轰击重原子核，就可以把其中的一些中子“撞”出来，这个过程叫作“散裂反应”。形象地看，这就如同将一个排球（质子）用力（即产生高能）扔向装满球（有中子也有质子）的筐（原子核）中，有一些球会被击出而跑到筐外。“散裂中子源”就是用高能质子去打钨、汞等重原子的原子核，让这些重原子核裂开，并向各个方向散发出中子，并用产生的中子探测各类物质内部结构的装置。

微观世界的窗口

用散裂中子源“散射”出去的中子“照射”研究对象时，这些中子会与研究对象中的原子核发生相互作用。测量这些中子在相互作用的过程中能量和动量发生的变化，科学家就能在原子、分子尺度上，“看见”各种物质的微观结构和运动规律—“看见”原子和分子在哪里，“看见”原子和分子在做什么。这种研究手段就是中子散射技术。

有些人也许会有疑问，这不是X光能做的事吗？其实这和X光是不同的，X光只能照出物质的大体结构，却不能细致入微；中子测量的是原子核的位置，要比X光细致得多。中子不带电，但是有磁矩，所以可以测量材料的磁性。而且中子的穿透能力非常强，可以测量很大很厚的物体，这是X光做不到的。

中子散射技术不仅可以探索物质的静态微观结构，还能研究物质的动力学机制。同时，凭借中子的高穿透性，让科学家具备了在低温、强磁场、高压等复杂的“真实工作环境”中“现场”实时测量样品的能力。所以，散裂中子源对物理学、化学、生命科学、材料科学、纳米科学、医药、国防科研和新型核能开发等领域，都有非常重要的作用和影响。

因此，美、日以及欧盟等发达国家都开始建设高性能散裂中子源。我国的散裂中子源是发展中国家的第一台散裂中子源，建成后已跻身世界四大散裂中子源的行列。

我们国家的散裂中子源项目由中国科学院和广东省共同建设，选址在广东省东莞市大朗镇，总投资为16.7亿元。散裂中子源项目经过5年的预制研究，已经掌握了很多关键技术。(www.xing528.com)

2018年3月25日，中国散裂中子源项目按期、高质量完成了全部工程建设任务，并于3月25日通过了中国科学院组织的工艺鉴定和验收。建成后的中国散裂中子源成为世界第四台脉冲型散裂中子源，填补了国内脉冲中子应用领域的空白，我们国家在这一领域做到了世界领先。

微观世界影响宏观大局

说了这么多，散裂中子源影响的无非是微观世界，那对我们生活的这个宏观世界具体有哪些作用呢？我们来举个例子：1998年6月3日，从慕尼黑开往汉堡的德国高铁在途中脱轨，造成101人死亡，88人受伤，震惊了全世界。事后调查发现，脱轨的原因，是列车的轮毂在高速行驶的过程中出现金属疲劳，形成细微裂缝，突然爆裂，最终导致了悲剧。而查出事故原因的，是英国的散裂中子源。如果能早一点查出问题，悲剧是完全可以避免的。

这几年可燃冰的开采已经成为新型清洁能源开发的新希望，散裂中子源高压下的中子衍射技术，可用来研究可燃冰的形成机制和稳定条件，其研究成果将为安全、高效地开采和利用可燃冰提供科学依据。

散裂中子源还可用于肿瘤放射性治疗、核废料嬗变和洁净核能源的研究等，将带动和提升我国机械加工、医药医疗、石油化工和生物工程等众多相关产业的技术进步。

另外，散裂中子源在制造业方面，可以在储氢材料、电动环保汽车电池、骨胶合成、新药研发、阿尔茨海默病的治疗手段等领域大显身手。而在科研方面，它对基因治疗的新方法、人类基因图谱绘制、DNA和蛋白质的精细结构探究、巨阻磁性存储材料的研发、高效的燃油添加剂的合成，甚至对产生新的考古发现，都大有帮助。

中国散裂中子源的运行，让中国科学家摆脱了束缚，去探索曾经需要依赖别人的“眼睛”才能看见的未来。