中子散射

中子散射技术是研究物质微观结构和动态的重要手段。该技术诞生于20世纪40年代末，起初主要用于晶体结构的研究。随着中子源、中子器件和探测技术的不断进步，中子散射技术在过去的半个多世纪取得了长足发展。如今，该技术在凝聚态物理、化学、材料科学与工程、高分子科学、生命科学等领域，均有广泛应用。同时也成为诸多高新技术——如纳米、医药、环境、新能源等研究中不可或缺的工具。因为这些成就，1994年诺贝尔物理学奖被授予该技术的主要贡献人B.N.Brockhouse和C.G.Shull。美国、英国、日本、德国、法国、澳大利亚等发达国家均建有多座中子源，以用于中子散射相关的科研。自2012年起，我国先后建成和运营了中国绵阳研究堆、中国先进研究堆，以及中国散裂中子源等大型中子设施。中子散射技术由此在我国快速发展，用户群体不断扩大。
本书从基本的物理概念和原理出发，系统阐述了中子与材料发生散射的理论。在理论的基础上，详细介绍了中子散射方法在诸多体系中的应用，包括固体、液体、软物质、高分子、界面与薄膜，以及磁性材料。同时还介绍了相关谱仪的基本原理，如飞行时间谱仪、衍射谱仪、小角散射谱仪、三轴谱仪、自旋回波谱仪、反射谱仪等。通过本书，读者可较为全面地理解中子散射的理论和应用，并快速进入相关科研的前沿。
作者假设本书的读者具备高等数学和大学物理的基本知识，但不需要有中子散射的基础。为了使得本书有较好的易读性，并能够服务尽可能大的读者群，作者写作时做了如下安排： 
（1） 增设“数理基础”一章，系统介绍了理解热中子散射理论所必需的数理知识。在此基础上，推导中子与材料散射的双微分截面的表达式应不再有障碍。同时，作者能够理解，有相当多的中子散射用户对于截面公式的推导过程不感兴趣，而只是专注于该技术的应用。对于这类读者，可略去相关计算，只需明确双微分截面的物理意义和表达式的形式，也不会影响后续章节的阅读。
（2） 考虑到中子散射用户的学科背景非常多样，采取了“模块化”的写作思路。在前两章奠定基本理论之后，后续的“应用”部分可分为三个模块。其中第3章和第4章针对液体、软物质、高分子等无序体系； 第5章和第8章针对固体； 第6章和第7章则针对中子光学、薄膜和表面。这三个模块的内容是较为独立的，读者可根据自身需要选择性阅读。
（3） 保留了绝大多数公式的计算细节。这样做的目的是希望读者能将精力用于理解相关的物理概念和方法，而非花费到具体的公式推导上面。对于极少数公式，其计算过程可能过于冗长，或所需知识超出本书讨论范围，则给出其文献出处，供有兴趣的读者参考。
（4） 中子散射作为一种工具，其最佳学习途径还是通过各种实际应用加深理解。因此，书中给出不少实际科研中的例子。在选取实例时，首先考虑的是该例子是否简明易懂、有助于说明相关理论，其次是数据获取的容易程度。值得注意的是，近年来，我国的中子散射用户群在多个领域取得了令人钦佩的成绩。由于各种原因，未能尽数引述，作者在此深表歉意。

本书的成书得到了作者课题组成员们的大力支持。其中，作者首先要感谢吴华锐博士对于第7章，特别是漫散射讨论的贡献。若无他的出色工作，本章不会以一个较为完整的面貌出现。另外，作者还要感谢宋坤同学对于极化中子相关内容写作的帮助。
本书的出版得到了清华大学工程物理系的王学武教授，以及清华大学出版社的赵从棉和朱红莲两位编辑老师的帮助。在此一并致以谢意。
本书从开始写作到付梓，历经四年有余。在此期间，书稿用于讲授清华大学课程《中子散射与材料科学》。备课和与同学们的教学互动，使作者有机会不断对内容进行修改和补充。在成书和修订过程中，作者尽了自己的努力，但学识所限仍难免存在错误或不妥之处，还请读者不吝赐教。

作者

2021年9月

中子散射技术是研究物质微观结构和动态的重要手段。本书从基本物理原理出发，系统阐述了中子散射的相关理论。在理论的基础上，进一步详解了中子散射方法在诸多体系中的应用，包括固体、液体、软物质、高分子、界面与薄膜，以及磁性材料。同时还介绍相关谱仪的原理，如衍射谱仪、小角散射谱仪、三轴谱仪、飞行时间谱仪、自旋回波谱仪、反射谱仪等。通过本书，读者可较为全面地理解中子散射的理论和应用，并快速进入相关科研的前沿。

王哲，2015年博士毕业于麻省理工学院核科学与工程系，自2017年起在清华大学工程物理系工作，从事与中子散射技术和应用相关的教学和科研。近年来作为主要作者，在Physical Review X、Physical Review Letters、Journal of Physical Chemistry Letters、ACS Macro Letters等权威期刊发表论文多篇。其中数篇被选为封面/底或高光论文。曾主持和参与多项国家级科研项目，并入选国家级青年人才项目。

国内系统介绍中子散射的基本理论和应用的一本中文专著。