58、非弹性中子散射光谱学：原理、应用与未来展望

非弹性中子散射光谱学：原理、应用与未来展望

1. 引言

非弹性中子散射（INS）光谱学在能量范围和应用领域上都极为广泛。本文聚焦于能量转移对应红外区域（0 - 4000 cm⁻¹）的振动光谱应用。

中子是质量为1.009 amu的不带电粒子，具有磁矩。由于不带电，它与物质的相互作用可视为与原子核的“台球式”散射，且与物质的相互作用较弱，穿透性强。同时，中子具有波粒二象性，粒子性用于描述散射过程，波动性则用于能量选择或分析。

INS光谱与红外和拉曼光谱的关键区别在于，中子有质量，非弹性散射会导致显著的能量（E，cm⁻¹）和动量（Q，Å⁻¹）转移。能量转移（ET）和动量转移的计算公式如下：
- 能量转移：$ET = E_i - E_f$
- 动量转移：$Q = k_i - k_f$
- 波矢定义：$k = \frac{2\pi}{\lambda}$

其中，$E_i$和$E_f$分别为入射和最终能量，$k_i$和$k_f$为入射和散射波矢，$\lambda$为中子波长。

拉曼光谱也是非弹性散射过程，但入射和散射辐射的波长较长，波矢很小，所以动量转移$Q$也很小。红外光谱的入射波矢更小，吸收过程中$k_f$为零，$Q = 0$。因此，红外和拉曼光谱只能观察到波矢为零的跃迁，而INS光谱允许所有波矢的跃迁，是一种二维光谱。

实验中通常测量散射函数$S(Q, E)$，散射可分为相干散射$S_{coh}(Q, E)$和非相干散射$S_{inc}(Q, E)$。相干散射涉及不同原子核位置的相关性，能提供样品集体运动的信息，是测量频率随波矢变化（色散）的唯一直接方法。非相干散射仅涉及同一原子核位置的相关性，能