肉眼「看」晶體結構：X射線散射和中子散射的作用

X射線與中子射線

一、X射線的發現與應用

1.X射線是什麼

X射線（英語：X-ray），又稱倫琴射線、愛克斯射線或X光，是波長很短的一種電磁波，其特徵是波長非常短，頻率非常高。它是由於原子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產生的粒子流，波長介於0.01納米到10納米之間（對應頻率範圍30PHz到30EHz），是一種介於紫外線和γ射線之間的電磁輻射。光學光譜是原子中外層的電子躍遷時發射出來的，而X射線光譜是原子中最靠內層的電子躍遷時發出來的，X射線在電場磁場中不發生偏轉。因此，X射線是不帶電的粒子流。

這種肉眼看不見的射線穿透本領非常高，能穿透許多對可見光不透明的物質，如墨紙、書本、木料等，還可以使許多固體材料產生可見的熒光，使空氣電離以及照相底片感光等效應。

產生X射線的裝置

2.X射線的發現

1895年11月8日晚，威廉·康拉德·倫琴在研究陰極射線的一次實驗中，為了防止外界光線對放電管的影響和管內的可見光外漏，確保實驗的精確性，他事先把各種實驗器材用錫紙和硬紙板都包裹得嚴嚴實實。他讓陰極射線從一個沒有安裝鋁窗的陰極管透出，可是，讓他驚奇的是，對著陰極射線發射的一塊塗有氰亞鉑酸鋇的屏幕（這個屏幕用於另外一個實驗）在閃光，而放在電管旁邊的一疊嚴密封閉的底片也變成了灰黑色，這說明底片已經曝光了！

這個一般人很容易忽略的現象，引起了威廉·康拉德·倫琴的注意和好奇，並讓他產生了濃厚的興趣，他反覆又做了幾次這個實驗，結果是一樣的，那個屏幕確實在發光。他陷入了沉思，他想：底片的曝光，充分說明放電管發出了一種穿透力極強的射線，但絕不是陰極射線，而是一種新的射線，這種射線甚至能穿透裝底片的袋子。但還不知道它到底是什麼射線，於是給它取名「X射線」。

於是，威廉·康拉德·倫琴開始對這種神秘的X射線進行研究。他先將一個塗著磷光物質的屏幕放在放電管與屏幕之間，重複上面的實驗，結果發現屏幕立即發出了光。接著，他又拿一些平時不透光的書本、橡皮板和木板等較輕物質，放在放電管與屏幕之間，企圖擋住那束看不見的神秘射線，可是卻不能擋住它，屏幕上幾乎看不見任何陰影，甚至連15毫米厚的鋁板它也能輕而易舉地穿透！最後他把一塊厚厚的金屬板放在放電管與屏幕之間，屏幕上終於出現了金屬板的陰影。看來太厚的物質這種射線還是沒有能力穿透。通過實驗他還發現，鉛板和鉑板能擋住這種光線使屏不發光；當接通陰極管時，放在旁邊的照相底片即便用厚厚的黑紙包起來，也將被感光。

接下來，威廉·康拉德·倫琴又發現更加神奇的現象，一天晚上他的妻子來實驗室看他，當時他要求妻子用手捂住照相底片，然後用X射線對準照射15分鐘，顯影后，夫妻倆驚奇地發現，底片清晰地呈現出他妻子的手指骨頭和戒指的影像。

雙手X光圖片

1896年1月5日，很多X射線的照片在柏林物理學會會議上展出，同時，維也納《新聞報》也刊登了發現X光的消息。這一偉大的發現立即很快傳遍全世界，並引起了人們極大的關注。在隨後幾個月里，數百名的科學家對此進行調研，一年之內竟有上千篇關於X射線的論文問世。

3.X射線的應用

儘管是威廉·康拉德·倫琴發現了X射線，但當時沒有任何人知道這種射線究竟是什麼。1906年，實驗證明，X射線其實是一種光長非常短的電磁波，比光波還短，因此能夠產生干涉、衍射現象。它的發現為物理學的重大變革提供了重要的證據。最初，X射線用於醫學成像診斷和X射線結晶學，目前，X射線不僅廣泛應用於醫學中的診斷和治療，成為人類戰勝疾病的有力武器，還用於工業上的非破壞性材料的檢查。正因為如此，1901年威廉·康拉德·倫琴獲得了諾貝爾獎，他是世界上第一個榮獲諾貝爾獎物理獎的人。人們為了紀念威廉·康拉德·倫琴，將X射線命名為倫琴射線。

特別提醒的是，X射線是遊離輻射等類型的射線，對人體有輻射的危害。

二、中子射線

中子射線就是中子流，中子為原子核的基本粒子之一。原子核在受到外來粒子的轟擊時，會產生核反應，從原子核里就會放射出中子，從而形成中子射線。因此，中子射線的輻射源為核反應堆、加速器或中子發生器。

按能量的大小中子分為：快中子、慢中子和熱中子。中子的電離密度較大，常常引發大的突變。在輻射育種中，應用比較多的是熱中子和快中子。

探測晶體結構的法寶

晶體結構是晶體的微觀結構，指的是晶體中的實際質點——原子、離子或者分子的具體排列情況。

自然界的固態物質可分為晶體和非晶體。晶體多為固態的金屬與合金。晶體與非晶體的最本質的差別在於：組成晶體的原子、離子、分子等質點的排列是規則，而非晶體中的質點基本上是無規則地堆積在一起。多數情況下，金屬及合金多以結晶狀態使用。晶體結構是固態金屬的物理、化學和力學性能的基本決定因素之一。那麼怎樣才能看見原子等質點在材料中的排列呢？

原子的直徑約10-10米，可是人眼能看到的最小尺寸一般在0.1毫米左右，僅僅是頭髮絲樣的粗細，而最好的光學顯微鏡放大倍數也僅僅是1000倍。那麼，怎樣才能看到原子等質點在材料中的分布和排列的呢？科學家為此找到了一些特殊的方法。

1.X射線衍射

前面已經講過，X射線的波長介於1納米（10-9米）到0.01納米之間，這與原子的尺度幾乎相近，同時X射線還具有非常強的穿透力。因此，科學家們利用X射線衍射構造成更為精細的顯微鏡。

X射線是一種波長恰好在原子尺度的電磁波，當它以特定的角度射入到晶體材料中時，就會被排列規則的原子層反射。反射過程遵循布拉格定律，即只有當原子層間距與入射波長滿足固定方程時，才會產生出射波。因此，通過對不同入射角度或出射角度下的X射線進行探測，就可得到材料內各種可能的原子層間距，從而依此就可以進一步推算出原子的排列方式。可見，X射線衍射，猶如給觀察者戴上了一副精巧的「眼鏡」，可以通過「透視」來「感知」原子在晶體材料中的排列方式。

2.中子散射

除X射線衍射外，我們還可利用中子散射來探測原子的排列方式，中子是電中性的（沒有凈電荷），將會主要被原子核反射，因此能夠非常精細地確定原子的位置。中子還帶有磁矩，所以它還具有另一個獨一無二的功能——探測材料內部磁矩的排列方式，研究固體磁性的起源。

X射線和中子的散射還可用以研究材料內部原子或電子的動力學性質。例如，原子的熱振動、電子的運動方式、電子和原子核之間的相互作用、電子和電子間的相互作用過程等一系列的問題。這些動力學過程就是材料宏觀上的熱、電、磁等性質在微觀下的表現形式，通過對它們的研究，可幫助和促進我們理解材料的性質，指導我們尋找更加適於應用的材料。

X射線散射和中子散射是現代凝聚態物理研究的重要手段，它們的實現是依賴於大型科學裝置（如同步輻射和核反應堆等）提供X射線光源和中子源。已經建成的中國上海光源和正在建設的中國散裂中子源就是為此服務的。

觀察准晶體的結構

奇妙的准晶體

准晶體是由兩種或兩種以上的不同晶體結構結合在一起的產物，可以通過金屬合金液體在高溫下迅速冷卻獲得，是介於晶體和非晶體之間的一種固體。不同的晶體通過組合，可能會產生這些具有獨特對稱性的材料。與晶體一樣，准晶體也具有規則的外形，且形狀非常奇怪。

准晶體的發現展現出了大自然的種種奇妙之處，因此，2011年准晶體的發現者、以色列科學家謝赫特曼獲得了諾貝爾化學獎。

上海光源——X射線實驗的大型社區

在現代社會中，X射線具有非常豐富的用途。上海光源是中國目前最大的大科學裝置和大科學平台，是一個高性能的第三代同步輻射光源，等同於一個大型的科學實驗社區。上海光源能夠進行從元素成分分析、晶體結構分析、微觀動力學過程觀測到人體透視和生物透視等重要的科學研究和實用研發項目，來自全世界各學科的科學家，在此進行基礎研究和技術開發。

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