台灣的中子散射實驗設施

■科學月刊■李文献 （任教中央大學物理學系）本文就中子散射的基本概念、主控權屬於台灣的雪梨中子散射實驗設施，與常用的中子散射儀之基本功能及應用領域作淺顯介紹。肉眼常見的物質可以被連續分割，而將物質看成是由無法再分割的單位（稱為原子）所組合建構而成的基本概念，早在西元前四百多年就已經在希臘提出。原子即是不可分割的希臘語。散射的視界直到十九世紀，藉由探究工具的開發，才開始理解到原子的大小為次奈米尺度。想要探究這肉眼看不見的原子世界，就必須採用波長與原子間距離相近的工具。散射就是利用一波長與原子間距相近的波或粒子（稱為探測子）入射到物質，藉由判定探測子出射後其動量與能量的改變，來推測該物質中原子的排列方式及其所能支撐的動力行為，如圖一所示。散射實驗常以入射束線與出射束線間的夾角，稱為散射角，來標示探測子動量的改變量。探測子若沒有與物質作能量的交換，而僅作動量的交換使得前進方向有所改變，這種散射行為稱為彈性散射。大部份固態物質中的原子是以特定的方式整齊排列，被各原子所彈性散射的探測子會相互干涉，使得探測子出射後往幾個特定方向前進的機率大幅提升，這種特定的散射行為稱為繞射。繞射譜圖也就隱含著物質中原子如何排列的資訊。現行的探究方法，就是利用繞射譜圖來反推出物質中原子排列的週期性，其最小的單位稱為單位晶格，以此單位晶格的結構沿空間各方向重複堆疊就組成了固態物質。若探測子與物質有能量的交換，使其出射後能量增加或減少，這種散射行為稱為非彈性散射。非彈性散射譜圖也就隱含著物質所能接受的能量之資訊。現行的探究方法，就是利用非彈性散射譜圖來勾劃出物質的能階組態，以理解其所能支撐的動力行為。常用的探測粒子有X光束、電子束、中子束、與雷射光束，其各具有與物質互動的獨特性，而適用於探討特定的物理行為。本文介紹以中子為探測子，說說中子散射的儀器設備與科學應用，應用層面則較專注在材料的特性探究。（全文見科學月刊2012年十一月號封面故事-發現中子80年—開啟微觀世界的一扇窗）▲散射是藉由判定探射子被物質散射後其動量與能量的改變，來解析物質內原子的排列方式及其結構所能支撐的動力行為。圖中箭頭代表探射子的動量，散射後可歸納為彈性與非彈性散射。