中子显微镜

印　凯

上海交通大学物理与天文系

本科生

1　概要描述与要点

1.1　从光学显微镜到电子显微镜，然后呢？

光学显微镜的分辨极限只能到达微米级（几乎是病毒的大小，比可见光波长大了一个数量级），后来在有了电子显微镜和原子力显微镜之后，人类的探测能力提高到了原子级（比电子的物质波波长尺度大了一个数量级）。由上，我们可以猜测，依靠现有各种显微镜，可以进行原子内部结构的直接探测（虽然我们有了很多原子结构模型，但都是通过一些实验现象归纳总结，间接得出的）。

但是，想要对更小尺度进行观察，只能使用波长更短的探测介质，如重子，其中，人类可以轻易获得，又能在探测同时引起更少变化的是中子，也就是中子显微镜。

目前，对撞机可以实现类似的效果，但看看那些人类历史上野心勃勃筹划，最后又不得不放弃的加速器，就知道对撞机的成本高得离谱，只能是精英科学家阶层的昂贵玩具。最后代表未来研究工具的也许就是中子显微镜。

1.2　中子显微镜的可能路径

中子显微镜的原理应当类似于电子显微镜，如图1所示。

中子显微镜第一步：获得足够稳定的高速中子流。

这一步就会出现问题，由于现在人类只能加速带电粒子，现在的中子源全是由天然放射源产生的中子，因此现在还无法将中子加速到表现为很强波动性的程度。加速中子，这将会是在人类对基本力的掌握达到相当高度以后才能实现的，而不再是依赖电磁力进行加速。

图1　一种电子显微镜的结构

第二步是让中子流对通过检材，获得信息。这一步也许可以参考电子显微镜对检材的处理。

最后一步是对中子携带的信息的解析。同样可以参考电子显微镜，只是由于中子的破坏力远超电子，检测头的老化会严重许多。

同时，由于中子质量比电子大很多，与它的探测对象将会是几乎同一数量级的，所以中子会引起许多无法忽略的干扰，这需要大量实验归纳总结排除干扰。

1.3　中子显微镜的可能运行模式

中子显微镜的可能模式类似于上海光源（见图2），让许多分线站共用一条探测介质发生装置，因为高速中子发生装置也许会非常庞大，但是一个发生装置有足够能力同时让许多探测设备开展工作。

图2　一种可能的中子显微镜的运行模式

2　应用意义与前景

现代社会中，科技正在飞速发展，但每一个发展都离不开基础科学。也许有人会说我们可以使用超级计算机，但是超级计算机的程序算法依然来源于实验，甚至计算机本身的发展都要依赖于基础科学方面的进步，这就意味着我们需要深入了解物质的本原——这也是物理学的研究对象。

中子显微镜可以使这一切更简单、更经济、也更高效。就像望远镜的发明使得天文学突飞猛进，直观地看到并看清楚研究对象总是一件好事。

现在人类正面对一个困局：研究亚原子结构就要用到对撞机，而对撞机数量有限而且成本很高。虽然可以预见的是，中子显微镜依然不会平民化，但至少不那么昂贵，这会加快人类对物质深层结构的了解。最重要的是，基础科学方面的进步总是对人类进步有利的，尽管也许在许多年后才体现出它的价值。