[科普中國]-中子衍射技術(shù)

中子衍射技術(shù)是研究晶體學(xué)的方法，用來確定某個(gè)材料的原子結(jié)構(gòu)或磁性結(jié)構(gòu)。這也是彈性散射的一種，離開中子具有入射中子相同或略低的能量。這個(gè)技術(shù)與X射線衍射法類似，其主要差別在于放射源不同，這兩種技術(shù)可以互為補(bǔ)充。

簡介中子衍射技術(shù)是研究晶體學(xué)的方法，用來確定某個(gè)材料的原子結(jié)構(gòu)或磁性結(jié)構(gòu)。這也是彈性散射的一種，離開中子具有入射中子相同或略低的能量。這個(gè)技術(shù)與X射線衍射法類似，其主要差別在于放射源不同，這兩種技術(shù)可以互為補(bǔ)充。1

晶體學(xué)晶體學(xué)，又稱結(jié)晶學(xué)，是一門以確定固體中原子（或離子）排列方式為目的的實(shí)驗(yàn)科學(xué)。“晶體學(xué)”（crystallography）一詞原先僅指對(duì)各種晶體性質(zhì)的研究，但隨著人們對(duì)物質(zhì)在微觀尺度上認(rèn)識(shí)的加深，其詞義已大大擴(kuò)充。

在X射線衍射晶體學(xué)提出之前（介紹見下文），人們對(duì)晶體的研究主要集中于晶體的點(diǎn)陣幾何上，包括測量各晶面相對(duì)于理論參考坐標(biāo)系（晶體坐標(biāo)軸）的夾角，以及建立晶體點(diǎn)陣的對(duì)稱關(guān)系等等。夾角的測量用測角儀完成。每個(gè)晶面在三維空間中的位置用它們在一個(gè)立體球面坐標(biāo)“網(wǎng)”上的投影點(diǎn)（一般稱為投影“極”）表示。坐標(biāo)網(wǎng)的又根據(jù)不同取法分為Wolff網(wǎng)和Lambert網(wǎng)。將一個(gè)晶體的各個(gè)晶面對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)在坐標(biāo)網(wǎng)上畫出，并標(biāo)出晶面相應(yīng)的密勒指數(shù)，最終便可確定晶體的對(duì)稱性關(guān)系。

現(xiàn)代晶體學(xué)研究主要通過分析晶體對(duì)各種電磁波束或粒子束的衍射圖像來進(jìn)行。輻射源除了最常用的X射線外，還包括電子束和中子束（根據(jù)德布羅意理論，這些基本粒子都具有波動(dòng)性，參見條目波粒二象性），可以表現(xiàn)出和光波類似的性質(zhì)）。晶體學(xué)家直接用輻射源的名字命名各種標(biāo)定方法，如X射線衍射（常用英文縮寫XRD），中子衍射和電子衍射。

以上三種輻射源與晶體學(xué)試樣的作用方式有很大區(qū)別：X射線主要被原子（或離子）的最外層價(jià)電子所散射；電子由于帶負(fù)電，會(huì)與包括原子核和核外電子在內(nèi)的整個(gè)空間電荷分布場發(fā)生相互作用；中子不帶電且質(zhì)量較大，主要在與原子核發(fā)生碰撞時(shí)（碰撞的概率非常低）受到來自原子核的作用力；與此同時(shí)，由于中子自身的自旋磁矩不為零，它還會(huì)與原子（或離子）磁場相互作用。這三種不同的作用方式適應(yīng)晶體學(xué)中不同方面的研究。2

衍射衍射（英語：diffraction），又稱繞射，是指波遇到障礙物時(shí)偏離原來直線傳播的物理現(xiàn)象。

在經(jīng)典物理學(xué)中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物后會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播。假設(shè)將一個(gè)障礙物置放在光源和觀察屏之間，則會(huì)有光亮區(qū)域與陰暗區(qū)域出現(xiàn)于觀察屏，而且這些區(qū)域的邊界并不銳利，是一種明暗相間的復(fù)雜圖樣。這現(xiàn)象稱為衍射，當(dāng)波在其傳播路徑上遇到障礙物時(shí)，都有可能發(fā)生這種現(xiàn)象。除此之外，當(dāng)光波穿過折射率不均勻的介質(zhì)時(shí)，或當(dāng)聲波穿過聲阻抗不均勻的介質(zhì)時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似的效應(yīng)。在一定條件下，不僅水波、光波能夠產(chǎn)生肉眼可見的衍射現(xiàn)象，其他類型的電磁波（例如X射線和無線電波等）也能夠發(fā)生衍射。由于原子尺度的實(shí)際物體具有類似波的性質(zhì)，它們也會(huì)表現(xiàn)出衍射現(xiàn)象，可以通過量子力學(xué)進(jìn)行研究其性質(zhì)。

在適當(dāng)情況下，任何波都具有衍射的固有性質(zhì)。然而，不同情況中波發(fā)生衍射的程度有所不同。如果障礙物具有多個(gè)密集分布的孔隙，就會(huì)造成較為復(fù)雜的衍射強(qiáng)度分布圖樣。這是因?yàn)椴ǖ牟煌糠忠圆煌穆窂絺鞑サ接^察者的位置，發(fā)生波疊加而形成的現(xiàn)象。

衍射的形式論還可以用來描述有限波（量度為有限尺寸的波）在自由空間的傳播情況。例如，激光束的發(fā)散性質(zhì)、雷達(dá)天線的波束形狀以及超聲波傳感器的視野范圍都可以利用衍射方程來加以分析。2

X光散射技術(shù)X光散射技術(shù)或X射線衍射技術(shù)（英語：X-ray scattering techniques）是一系列常用的非破壞性分析技術(shù)，可用于揭示物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成以及物理性質(zhì)。這些技術(shù)都是以觀測X射線穿過樣品后的散射強(qiáng)度為基礎(chǔ)，并根據(jù)散射角度、極化度和入射X光波長對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。X光散射技術(shù)可在許多不同的條件下進(jìn)行分析，例如不同的溫度或壓力。2

參見衍射

OPAL（Open Pool Australian Lightwater reactor）

X光散射技術(shù)

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所