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用中子撞击电子会怎么样?

中子是一种微观粒子,内部由三个夸克组成。中子不带电(内部夸克电荷正负平衡),质量和质子相当,波长和原子直径相当。中子的自旋为1/2,具有和电子自旋相当的磁矩。因此,用一个中子去轰击电子,结果其实很简单:因为中子不带电,所以中子和电子之间并不会发生库仑相互作用。但是因为中子具有磁矩,而电子同样因为是1/2自旋而具有磁矩,两者磁矩大小相当,所以会发生磁相互作用。注意到磁矩就是磁偶极,因此中子和电子之间的相互作用主要就是磁偶极相互作用。

那么,用一群(或者说一束)中子去轰击一群电子,会发生什么情况?如果是一群杂乱无章的自由电子,那么中子受到的磁偶极相互作用也是各种情况都有,所以只能认为中子会被杂乱散开。但是,如果把电子放在一个固体材料中。那么未能排满轨道的电子自旋将会给原子造成一个固有的磁矩,在有固定周期的原子晶格中,这些电子自旋实际上会形成自旋的晶格——磁晶格。也就是说,电子自旋也会出现空间有序排列。那么一束中子入射的时候,就会发生布拉格散射和非弹性散射。就像一束波长和原子晶格相当的光(如X射线)入射一样,发生的布拉格散射就能标定原子排列方式。那么电子自旋对中子造成的布拉格反射,其实就可以用来确定电子自旋在固体材料中的排列方式。

此外电子自旋也是存在相互作用的,一旦它们的自旋存在关联效应,那么自旋的转动也会形成自旋波,这点和晶格振动造成的晶格波——声子一样,自旋波的能量量子就是磁振子。中子就会与磁振子发生散射,并可能交换能量。因此,利用中子的反弹性散射,就可以测量材料中的自旋波——电子自旋的相互作用模式。

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