，任何一种辐射，如果用
来分析物质结构，它的波长必须和物质中的原子间
距离有相同的量级
“錯綜其數”之 - 延生學苑中華最古老傳統文化易學研探象數開 ...
https://www.duosuccess.com/YSZ/mbonly/y08080501.htm
基础物理学中尚未解决的两大重大问题之一——电磁作用
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中子散射技术及其应用
叶春堂4! ! 刘蕴韬
（中国原子能科学研究院核物理研究所! 北京! ’%$5’"）
摘! 要! ! 热中子的波长和凝聚态物质的原子6 分子间距具有相同的量级，而其能量又和原子6 分子的热运动能量相
近- 因此，利用热中子的弹性和非弹性散射效应，可以从微观层次上获取物质的结构和动力学知识- 目前，中子散射技
术在物理、化学、化工、生物和材料科学等研究领域的应用已经获得了许多用其他方法无法得到的知识- 文章介绍了
中子散射的基本原理和特点，并列举了中子散射技术在相关研究领域中的典型应用
关键词! ! 中子散射技术，结构和磁结构，动力学性质
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$%%& O %$ O ’% 收到初搞，$%%& O %5 O ’P 修回
4! 通讯联系人- 8F10/：2)HAQ 0E0C- 201A- 12- 23
’! 引言
中子是在’R"$ 年发现的- 中子发现后不久人们
就相信，低能中子可以作为一种工具用来研究物质
的微观结构- 为什么有这样的设想呢？我们知道，
微观粒子都具有波粒二象性- 由德布罗意关系式我
们可以写出中子的波长
! ; 0 < # ; 0 <（$’7）’ < $， （’）
其中0 为普朗克常数（&- &$& S ’% O "5 TC），7 为中子
的动能= 中子的静止质量’ U ’- &V# S ’% O $V K<- 由
此不难得出中子的波长! 和能量间的关系：
!（3F）; %= %$P& <［7（AW）］’ < $ = （$）
由（$）式可估算出能量在’—’%%FAW 左右的中子，
其相应的波长大致在%- ’—’ 3F 区间- 而对于一般
的物质，原子间的距离也正好在%- ’—’%% 3F 左右；
另一方面，原子、分子的热运动能量也恰好在’—
’%% FAW 左右- 我们知道，任何一种辐射，如果用
来分析物质结构，它的波长必须和物质中的原子间
距离有相同的量级，如果用来研究原子、分子的运动
状态，它的能量必须和原子、分子的运动能量大体相
当- 低能中子的波长、能量都符合这个标准，所以它
具备了研究物质结构和运动状态的理想条件- 但是
在反应堆出现以前，这种设想是不可能实现的-
’R5" 年，美国为了执行X13(1))13 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，
·876·
前沿进展
!""#：$$%%%& %’()& *+& +,- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 物理
其中有些反应堆开始用于基础研究& ./01 年，美国
2*3 4)567 实验室的科学家89((*,，:!’(( 等首先在
;(),"9, 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；./<= 年前后，加拿大;!*(3 4)>7? 实验
室科学家@?9+3!*’A7 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以
及分子构形等& 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B 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&
为了表彰:!’(( 和@?9+3!*’A7 在开拓中子散射
技术方面做出的杰出贡献，瑞典皇家科学院决定授
予他们.//0 年的诺贝尔物理奖&
C- 中子散射的原理和特点
!& "# 物质结构研究
!& "& "# 中子衍射
中子衍射的原理和B 射线衍射相同& 我们知
道，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&
综上所述，我们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.—
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