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1、核科学技术在材料科学中的应用摘要核科学技术和材料科学的结合产生了一门新兴的交叉学科———核材料(也称核固体),主要指核技术在材料分析、物质改性和新材料研制合成中的应用.文章介绍核技术在材料科学中的应用历史、现状及其前景,包括基本物理原理。关键词核技术、应用、材料科学1引言20世纪初人类在探索物质世界更深层次的奥秘时,形成了比以往更微观的学科———核科学.广泛深刻的核科学在发展中形成了当代最主要的尖端技术之一———核技术.核技术是指利用原子核放出的射线或加速器产生的带电粒子束流,通过射线与物质相互作用来研
2、究和改造物质的技术.核技术的应用,把人们的视野进一步推向微观,从而使人们从分子水平、原子水平和原子核水平动态了解自然现象.核技术在材料科学中的应用是原子核物理和固体物理之间新兴的交叉学科,它主要研究荷电粒子或射线束与固体表面及晶格的作用,用于材料的结构、组分和状态的分析及新材料的制备核射线很早就用来探索物质结构.1911年,物理学家卢瑟福和他的学生们用α射线轰击金属薄膜,来观测穿过金属膜后粒子飞行方向的分布,提出了著名的卢瑟福原子核式结构模型,开创了用射线束来研究物质结构的新途径.晶体X射线衍射是上世纪
3、初固体物理的重大发现,1912年由弗里得里希和尼平在实验上观察到,它证实了晶格结构这一物理图像,开创了核技术在材料研究中应用的先河.核射线与物质的相互作用是核材料研究与应用的基础,在此基础上扩展到材料、考古、生物和环境等众多领域.核技术在材料科学中的应用和发展不仅为研究材料的结构和特性提供了强有力的工具和技术,而且还为工业、农业、国防、现代科学技术及人类生活提供了众多的新型材料.从20世纪60年代中期开始,各种低能加速器转向这方面的研究,使得这一领域得到了迅猛的发展.如今,离子束已从单一的离子扩展到原子
4、、分子离子、团簇.所研究的材料已发展到高分子材料、绝缘材料、生物材料及复合材料等核材料科学已是跨越核物理、原子物理、固体材料物理及表面物理等众多领域的交叉学科,成为当前一个引人注目的领域.2材料科学中的核分析技术核分析就是用核物理手段进行材料分析,利用探测物与被探测物之间的相互作用来获取被探测物的成分、结构、物理与化学性质的信息.一个著名的实验是20世纪60年代用核分析技术成功地分析了月球土壤,记录下了世界瞩目的月球探索所带来的珍贵资料.现代的核分析技术与传统的手段相比,具有超微量、高精度和极表面的特点
5、,而且还能提供一些独特的物理信息.常用于材料科学的核分析技术包括离子束分析、超精细相互作用核分析和活化分析等技术.2.1超精细相互作用核分析原子核的磁矩和电四极矩与周围电磁场之间的相互作用称为超精细相互作用.分析超精细相互作用引起核能级的移动和分裂,可以获得周围环境的信息,从而来探测物质的微观结构.主要的超精细相互作用核分析有穆斯堡尔效应、核磁共振技术、正电子湮没技术和中子散射技术等.穆斯堡尔效应是1957年德国青年科学家穆斯堡尔首次发现的,也称原子核无反冲γ共振吸收或共振散射.它对γ射线能量的依赖关系
6、非常敏感,因此可以用穆斯堡尔效应来探测由于共振原子核附近的物理和化学环境变化而引起的共振γ射线能量的变化.一个生动的例子就是砷化镓半导体中注入锡,到底锡是处于砷位还是镓位,这只能由穆斯堡尔效应告诉我们.核磁共振现象(NMR)是1945年美国BlochF小组和PurcellEM小组分别发现的.核磁共振是指原子核在进动中吸收外界能量产生的一种能级跃迁现象.这里外界能量是指一个高频磁场,根据γ跃迁选择定则,只在相邻的能级之间发生跃迁,同时出现强烈的能量共振吸收.与前种技术相比,其可探测的核要多很多,精度也非常
7、高.近年来发展的固体高分辨核磁共振技术,最大的特点是能反映各种相互作用和各向异性,例如对高聚物和液晶的研究可得到其他技术不可替代的结构信息.正电子湮没技术，正电子是电子的反粒子,是由狄拉克预言、安德森于1932年发现的.由源发出的正电子遇到电子会湮没成两个光子,即一对γ射线.通过对湮没寿命的测量、γ湮没关联测量和γ射线的多普勒增宽能谱测量可研究材料的结构.正电子湮没技术的应用是从50年代开始的,目前国际上最多的PAT应用还是对金属和合金材料的研究.中子散射:1932年,英国物理学家查德威克发现中子以来,
8、中子散射技术已成为固体结构研究的另一种手段.平均动能为0.025eV的热中子,相应的波长为0.1—1nm,这正好接近物质结构中原子运动的能量和原子间的距离.热中子散射既可以用于研究物质的静态性质,也可以研究其动态性质.近年来发展起来的冷中子(能量小于0.1eV)散射是研究凝聚态物质、聚合物和大分子的有力工具.3离子注入与材料改性离子注入材料改性是指用离子、分子、团簇等轰击固体材料,使其表面形成一定深度的注入层,从而使材料表面的物理性质、化学
