追寻神奇之光 认识同步辐射大科学装置

光寓意勃勃生机和充满希望。光为我们带来不同的色彩,不同的光也让我们看到不同的世界。利用红外光的夜视仪是黑夜中的眼睛,可见光是自然界缤纷色彩的来源,紫外光能够鉴别纸币的真假,X射线可以穿透身体诊断疾病。我们常说“光明”,因为有了光,一切都明白了!

图1 合肥先进光源设计效果图

人们对光的探索从未止步,早在春秋战国时期,墨子在《墨经》中就记载了光学研究的萌芽。牛顿转动三棱镜,白光在另一侧折射出彩虹色的光谱,光的反射和折射定律的发现奠定了几何光学的基石,望远镜的发明促进了天文学和航海事业的发展。随着托马斯杨、菲涅尔等人的实验解释了光的干涉和衍射现象,波动性成为光的研究的主流。光量子的提出平息了“光到底是粒子还是波”这一长达数百年的争论,开启了量子光学时代,神奇的光具有波和粒子的双重性质——波粒二象性。随着新技术的出现,光的研究也愈发丰富,光学通信、发光二极管、光镊等现代光学和其他科学技术的结合正悄然改变着我们的世界。

光帮助我们徜徉星空感受宇宙的呼吸,帮助我们探秘细微看到细胞忙碌的身影,在眼睛难以观察的地方看到原子分子的排布。光为什么知道这么多微观世界的奥秘呢?是因为光与物质会发生各种各样的相互作用,科研人员通过解读一封封光写给我们的“信”,就可以知道光又发生了什么“奇遇”。

下面我们来认识几种光与物质有趣的“邂逅”吧。当一束光通过两个狭缝时,光波就像水面上的涟漪,光波的波峰相遇则强度叠加,波峰与波谷相遇则相互抵消,因此产生明暗相间的条纹,这就是光的干涉。当一束光在通过一个小孔或狭缝时,光的波前每一点都可以看作是小的次波的波源,这些次波干涉叠加,产生一个个同心圆环,被称为光的衍射。当一束特定频率的光照射到金属表面,电子吸收能量,摆脱原子核的束缚,然后愉快地跑走,这就是光电效应,爱因斯坦也因此收获了诺贝尔物理学奖。运动的台球撞向另一个台球,速度和角度会发生变化。同样,光子要是撞上轻原子的电子,会损失能量,波长变长,这就是获得诺贝尔物理学奖的康普顿效应。值得一提的是,我国物理学家吴有训先生也为康普顿效应的提出做出了重要贡献。

其实生活中最普通的现象背后也有光的妙趣:绿色的春天,金色的秋天;雨后的彩虹;湛蓝的天空;灰暗的迷雾都是光与物质不同的“梦幻联动”。但想要看清扑朔迷离的微观世界,自然光的亮度还远远不够。我们还需要更加明亮的光,足以照亮分子原子的世界。同步辐射就是目前最好的答案。

图2 蓝天白云、彩虹和薄雾都是光与物质相互作用的结果(素材来源网络,已获得授权)

很多伟大的发现都来源于偶然,这种更加明亮的光也一样。1947年,科学家在研究同步加速器时发现带电粒子以接近光速的超高速度在加速器中运动时会发射出的一种“调皮”的辐射,导致粒子能量的损失。当科学家想办法消除这种辐射时,却发现它是非常理想的光源。

图3 美国通用电气实验室发现同步辐射光的同步加速器

为了用好这种偶然得来的神奇之光,科学家们设计建造了由加速器、储存环、和光束线等部分组成的同步辐射实验设施。电子由电子枪激发,经过直线加速器初步加速后进入加速环,在这里,电子被进一步加速到接近光速,高速运动的电子在磁场的引导下被注入一个超大的环形赛道——储存环中。在磁场约束下,电子在储存环中保持着恒定的弯曲运动,同时不断释放出同步辐射光束,科学家们通过光栅、单色器、聚焦镜、狭缝等一系列光学元件把需要的光筛选出来。随后,同步辐射光穿透实验样品,到达特制的探测器。通过分析我们就能揭开微观世界的神秘面纱。

图4 中国科学技术大学国家同步辐射实验

当然,同步辐射光源也在不断发展,从第一代兼用光源,第二代专用光源,到第三代光源,亮度大幅提升,而最先进的第四代光源,亮度数量级将达到10的23次方,这意味着利用这种先进光源一秒采集的信号强度相当于普通X光机采集三万年!

同步辐射光具有高准直、高亮度、偏振性、相干性等优势,这种非常纯净、宽波长范围、具有时间结构脉冲的光具备研究各种问题的神奇潜力,所以说每引出一道同步辐射光就照亮了一个研究领域。在生命科学领域,同步辐射帮助我们进一步了解DNA、蛋白质的结构和功能。在全球抗击新冠疫情的过程中,清华大学饶子和院士团队利用上海光源率先解析了新冠病毒主蛋白酶的结构。这一重大突破有助于更迅速地寻找抗击病毒的方法,推进了疫苗的研制,保护我们的生命健康。在化学材料方面,同步辐射能够看清楚化学反应的瞬息万变,解析材料的复杂结构。中国科学院包信和院士团队借助国家同步辐射实验室探测到合成气催化转化制低碳烯烃反应中乙烯酮等关键中间产物,为发现费托合成反应新机理提供了关键证据,实现煤化工领域的重大突破,让我们离“双碳目标”更近一步。中国科大李良彬教授团队把同步辐射和高分子功能膜的工业生产相结合,研究高分子流延、吹塑、拉伸成膜的过程,为工业生产更高性能的膜产品提供了理论支撑。同步辐射也不总是研究“高大上”的问题,生活中处处都有大学问,例如,剑桥大学的物理学家Athene Donald教授借助同步辐射光告诉我们,坚硬的生米能够变成软糯的熟饭,其实是由于淀粉晶体在高温下发生了熔融。

图5 利用同步辐射光源研究高分子薄膜加工过程的实验成功时快乐的同学

同步辐射光源是现代科学研究不可或缺的大科学装置平台,全世界每年有约10万名用户在50余台同步辐射光源上开展研究,取得了数不清的重要科研成果,它的身影也出现在多项诺贝尔奖的背后。

我们中国的同步辐射光源梦在1983年的合肥破土生长。为了建造我国第一台专用同步辐射光源,中国科学技术大学一支只有二十多人,平均年龄不到35岁的年轻队伍,在科学的春天里开启了光源逐梦的征程。他们几乎从零开始,核心部件自主设计制造,关键技术昼夜攻关,1989年,合肥光源成功将电子束流注入储存环,同步辐射的神奇之光在这里迸发。我国的同步辐射光源在传承发展中越发明亮。在不远的将来,北京高能同步辐射光源、上海光源,合肥先进光源,将共同构成我国完整的先进光源体系,为国家的科技事业发展贡献力量,以更璀璨的光芒拥抱未来。

图6 我国即将建成的覆盖高中低能区的完整先进光源体系

国家同步辐射实验室在承担科研任务的同时,也把培植爱国主义情怀、传播科学精神、培养广大青少年的科学素养作为自己的重要任务,每年都有上万名中小学生和社会各界人士近距离感受大科学装置的脉搏,感受一代代追光人不懈奋斗的热情。

图7 中小学生参观国家同步辐射实验

追寻神奇之光,探索微观世界的光源梦,就是一代代追光人追求科技自立自强的强国梦,让神奇之光照亮美好生活,追光人期待你的加入!

来源: 中国科大科协

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