利用中子散射探索生命世界中的物理奥秘

中子散射是利用入射中子与原子核发生碰撞以后中子动量与能量的改变来研究微观世界的一种技术。由于中子对氢原子的散射截面远大于其他元素的独特属性,使得中子散射在研究包含大量氢元素的生物大分子的结构以及动力学特性方面都有卓越的应用。文章对中子散射在生物方面的应用进行了探讨,重点介绍了中子衍射、结合衬度变换技术的小角中子散射、准弹性/非弹性中子散射和中子自旋回波技术,以及它们在研究生物大分子结构、动力学及其功能方面的应用。最后对中子散射未来在生命科学中探索新的物理现象进行了探讨和展望。     

高能物理学面临的两大难题

 一、物质结构历史简述大家知道,物质结构的研究已从早先的原子层次深入到夸克和轻子这一新层次。１９１１年,卢瑟福实验证实了原子中原子核的存在并发现了质子,１９３２年查德威克的实验发现了中子．中子的发现开创了人类认识物质结构从原子核进到质子、中子这一层次．海森伯和伊凡宁柯立即提出了原子核由质子和中子组成的假说．不久,这一假说获得验证并得到了有关原子核的正确认识．原子是由原子核和绕核运动的电子组成的,而原子核由质子和中子通过强相互作用结合而成．这样,随着核物理的发展,人类对物质结构的认识进入到基本粒子这一层次,即认识到自然界万物是由质子、中子、电子这些基本粒子构成的．     

邮票上的物理学史（49）——核裂变

发现核裂变的故事应当接着发现中子往下讲 .在发现中子之前 ,用得最多的轰击原子核的炮弹是α粒子 .例如 ,历史上的第一个人工核蜕变就是卢瑟福用钋源发出的α射线轰击氮核 ,把它嬗变成氧原子 .约里奥-居里夫妇用钋源α射线轰击各种原子核 ,轰击铍发现了中子 ,轰击铝发现了人工放射性 ,但对Ｚ >2 0的原子核 ,α粒子轰击却不能引起核反应 .这是因为 ,原子核的正电荷的推斥力使α粒子不能进入原子核 .发现中子后 ,1 93 4年 ,意大利物理学家费米 (邮票见下节 )和他的研究集体试着用中子而不是α粒子来轰击原子核以产生人工放射现象 .费米认为 ,…     

名词浅释

热中子 在习惯上常将中子按其能量加以区分.对于动能在～0.01—0.1eV间的中子,因为它的能量和一般分子的热运动相近,故常称之为“热中子”.相干和非相干散射 中子在各种原子上进行散射时,散射出来的中子(波)通常有两种成份:一种可以和由其他原子散射出来的中子波相互间产生干涉效应,这一部分称之为“相干散射”(类似于相干光);另一种则不能与其他原子散射出来的中子波相互干涉,称为“非相干散射”.两种成分的比例随核而异.衍射就是利用相干部分而得的效应.拉曼效应,拉曼谱学 当一束单色光在某些介质(固体、液体或气体)上受到散射时,可以由…     

粒子物理学和核物理学的相互交叉

 自从1911年卢瑟福用α粒子作为炮弹轰击金属薄箔发现了原子核,核物理学发展为物理学的一个重要分支.进入20世纪50、60年代以后,由于高能加速器的迅速发展,人们对物质结构的认识又深入到更深层次,基本粒子的种类多达几百种,粒子物理学成为探索微观世界的最前沿的一个学科.粒子物理学的诞生和发展深受核物理学的影响,而粒子物理学的发展反过来又影响着核物理学的某些基本问题的研究.一、原子核的新自由度1932年查德威克发现了原子核内除了有质子外还有中子,接着海森堡提出了原子核是由质子和中子组成的,质子和中子一直是组成原子核的基本组成成份.原子核内的质子、中子结合很紧,那么是什么样的核力使它们聚集在一起.     

原子核是由什么组成的?——老问题新探索

 1932年查德威克发现了中子,海森堡和伊凡宁柯立即于同年提出了“原子核是由中子和质子组成的”这一重要假说,从而使原子核物理学在实验和理论两方面沿着正确的轨道蓬勃发展起来,迄今整整60年了.然而,从现代的观点来看,人们目前仍不能确切地回答:“原子核是由什么组成的?”原子核作为多核子系统从本世纪30年代起,人们就认识到原子核是由两类核子（中子和质子）通过强相互作用结合起来的多体系统.     

A～80核区三轴超形变的预言及形成机制

利用三维总位能面方法, 对A～80,核区的64个原子核作了三轴超形变的存在性研究. 经过计算, 从中找到了12个 原子核可能存在三轴超形变. 研究发现, 原子核中的中子转动能对三轴超形变的形成起主要作用, 中子壳修正对 其形成也有一定的影响.     

中子发现历程背后的几位科学家

20世纪30年代,自由中子的发现是原子核物理学史上的一座里程碑,有着重要的时代意义和思政教学意义.在中子探测的发展历史中,涌现出了一大批自然科学家,他们对后来原子核的组成和核能的利用都做出了不可磨灭的功绩,文中以中子的发现历程为线索,重点摘取了几位突出的科学家对此的相关贡献.     

中子在农业科学技术和生物学中的一些应用

中子是一种基本粒子,是原子核的重要组成之一.因为它不带电,不受核内外电磁场的作用,较容易进入原子核而发生核反应,同时因为它的质量与1H差不多,在大量含氢的有机化合物和生命物质中有独特的和显著的散射效应,再加上它对样品损伤极小等优点,所以中子在农业科学技术和生物学中得到了广泛的应用.特别是从产生高通量中子束的核反应堆出现以来,这一领域发展很快,并在作物诱变育种、生物样品成分分析和生物大分子的结构研究等方面,都取得了不少成绩,受到各国物理学家和生物学家的重视. 一、中子诱变育种 过去用干诱变育种的物理因子主要是放射…     

奇异核漫谈

 一八九六年放射性现象的发观,使人类第一次接收到来自原子核的信息.十五年以后,原子的有核模型出现了.到了一九三二年,发现了中子,这促使人们认识到原子核是由不带电的中子和带正电的质子所组成.在核物理与核化学中,把由一定数目的质子与中子组成的原子核称为一种核素.至今已发现的核素约有二千七百种,其中仅有二百八十种左右是稳定的,也就是说,人们没有发现它们通过放射性衰变而转化为另一种核素的现象.     

超越原子核滴线

近来发现了几种新的重同位素,至少其中之一超出了中子滴线．在以核内的中子数为横坐标,以质子数为纵坐标的核素图上,在原子核的丰质子一侧和丰中子一侧,各有一条边界线,分别称为质子滴线和中子滴线,超出滴线外的原子核中的核子是不能束缚在一起的．然而,目前人们对核力的了解还不足以用理论准确计算出滴线的位置．这就需要通过实验来寻找可能存在的原子核．     

中子

引言在原子核物理領域中,中子在原子核性能的研究方面具有特别重要的地位。这是由於中子本身不带电荷,因此其与物質間的相互作用不受靜电力的影响而主要祇由原子核力及原子核結構的特性所决定。因之,自从中子發現以后,原子核物理学也就获得了巨大的發展。有關中子与原子核相互作用的实驗工作与理论工作交替地提高,从而奠立了原子核力的唯象理论的基礎及关于原子核結构的一些初步理論。同時由於中子可以引起原子核的链式反应,才     

质子的形状可以改变

电子通常是不受核力影响的 ,可以穿入核的内部 .因此 ,高能电子在核上的散射是探索原子核以及核中的质子与中子的电磁性质的极好的方法 ,特别是当电子以某种方式将它的自旋转移给质子的时候 ,能提供独特的信息 .例如 ,最近在美国Jefferson实验室进行的一项实验结果显示 ,质子不一定总是球形的 .在该实验室的一项新的实验中 ,科学家们将电子在单个的质子 (氢原子核 )上的散射与在氦核上的散射做了比较 ,表明这两种核以不同的方式“捏塑”它们所包含的质子 ,使质子内的夸克有时会蔓延出来一些 ,或使质子成为像花生那样的形状 ,尽管其平均形状…     

中子星——一个巨大的汤姆逊原子

 ①已知原子核组成的半岛大家都知道,一个原子核是由一些质子和一些中子组成的高密物质.如果用质子数Z做纵坐标,中子数N做横坐标,那么已知的原子核大体上都分布在对角线附近,如图1所示:就是说,一个原子核内,质子数大体上与中子数相等.比如,常见的氮原子核¹⁴N是由7个质子和7个中子组成,而钙原子核⁴⁰Ca是由20个质子和20个中子组成.但是,随着质量的增大,原子核内的质子多起来,库伦排斥力就增大,使得稳定的原子核渐渐偏离对角线而向着中子偏多而质子偏少的方向弯曲.比如铁原子核⁵⁶Fe由26个质子和30个中子组成,碘原子核¹²⁷I由53个质子和74个中子组成.事实上,所有观测到的原子核,天然的和人工的,稳定的和放射性的,长寿命的和短寿命的,都集中分布在这条略有弯曲的近似对角线附近,形成半岛状分布.但是,这个半岛只能延伸到Z～106的地方.实际上,Z>92的原子核（超铀元素）都是不稳定的.Z越大,原子核越不稳定,越容易自发裂变.Z>106时,原子核寿命将短到无法观测.更重的原子核是无法形成了.所以,半岛以外,乃是一片不能存在原子核的汪洋大海.     

查德威克和劳伦斯的通信

 英国物理学家查德威克于1932年发现了中子,中子的发现打开了原子核的大门,使原子核物理学有了划时代的进展,他因此荣获了1935年诺贝尔物理奖.美国物理学家劳伦斯由于发明了回旋加速器,为高能物     

幻数和幻数的最新科研成果简介

 自从德国核物理学家迈耶用轨道和自旋相互作用来解释原子核的结构,并建立了“壳层模型”,由此而获得１９６３年诺贝尔奖后,物理学界一直认为,幻数是固定不变的。而近日,日本科学家发现了新的幻数,说明幻数不是固定不变的。本文仅就这一问题简介如下： 一、什么是幻数 众所周知,一切物质都是由分子构成;分子又是由原子组成;原子都是由带正电的原子核和带负电的电子组成;原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成。不同元素的原子,其原子核质量和原子核中质子、中子的多少是不同的。在质子数、中子数是某个特定数值或两者均为这一数值时,原子核的稳定性就比平均值大。这些数值被称为“幻数”。     

最丰中子的双幻原子核:镍-78

<正>近期,两个实验组分别独立地确认了放射性原子核镍-78是双幻核,证实了原子核壳模型的预言。原子核镍-78,包含了28个质子和50个中子,由于具有较大的中子过剩,因而是检验壳模型的一个理想系统。早在1949年,Maria GoeppertMayer就指出:具有幻数(2,8,20,28,50,82,126)个质子或中子的原子核表现得更为稳定。这一思想促使了原子核壳模型的发展,也因此项工作,Mayer分享了1963年的诺贝尔物理学奖。类似于电子填充在原子轨道上,原子核壳模型的基本思想是质子和中子分别填充在原子核的单粒子轨道上。当原子核具有幻数个中子时,其外层轨道可被中子完全填     

非弹性中子散射在稀土钙钛矿研究中的应用

中子散射技术在科学研究中应用的重要性、独特性源自于中子本身的一些基本物理特点:带自旋、不带电荷、与原子核直接发生强相互作用、恰当的质量使其色散关系与一般物质内部的原子振动和磁性振动的元激发相当,以及可用于无损探测的强穿透性等。这些特点决定了中子散射探测技术在科学研究中无可替代的重要地位。经过多年发展,中子散射技术已经成为研究凝聚态物理中材料晶体结构以及磁结构的主要手段。此外由于中子的能量与物质中的元激发,如声子,磁振子等能量相当,中子散射也是研究物质动力学性质不可替代的关键技术。对于磁性材料来说,非弹性中子散射不仅可以研究对称性破缺下磁有序相的自旋波激发,而且可以直接探测无对称性破缺情况下的自旋关联。这对于研究磁阻挫等量子磁体中新奇的量子化自旋激发尤其重要。文章将主要介绍两种常用的非弹性散射谱仪,并结合最近在稀土钙钛矿结构体系中的具体应用,尤其是低维稀土自旋链中的分数化自旋子的激发,重点介绍非弹性散射技术的特色。     

我国物质结构研究的大型实验平台(续)——原子核科学与技术实验设施

我们现在从基本粒子来到原子核的层次。核物理是一门重要的基础研究领域,核技术在能源等诸多方面有着广泛的应用。为了深入开展核物理的研究,科学家发明了加速器,用高能量的粒子束流作为"炮弹",打开原子核的奥秘。为了开发蕴藏在原子核内部的巨大能量,科学家发明了反应堆,建成了核能发电站,并研究更安全、更有效的核能装置,造福于人类。从20世纪30年代中子的发现起,人们就知道原子核主要是由质子和中子构成的。随着研究的深入,核物理研究的前沿又推进到放射性核束物理、核天体物理、重子物理、超核、超     

原子核壳模型发现前后

 大约四十年前,梅耶和詹森分别独立地提出了原子核壳模型,成功地解释了幻数等原子核结构的主要特性.虽然这个模型并未最终解决原子核结构问题,但它应作为研究原子核结构的基础模式已为世人所公认.因此,梅耶、詹森和对群论在核谱学上的应用作出重大贡献的魏格纳一起荣获了1963年度诺贝尔物理学奖金。本文介绍发现原子核壳模型的前后经过.卢瑟福发现原子内有核存在在1906年卢瑟福发现α粒子散射现象以后,盖革和马斯顿做了大量α粒子散射的研究工作.