作者:张佳欣 来源:科技日报 发布时间:2023/11/14 7:55:45
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中子成像揭开化石隐藏秘密

 

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X射线扫描“破碎的鳄鱼”后,中子扫描才在鳄鱼的腹部发现了恐龙骨头(红色)。

不用打开裹尸布,X射线和中子扫描共同提供了这只古埃及木乃伊猫的内部视图。X射线(中)显示了猫的骨骼,而中子(右)显示了包裹的细节。图片来源:美国《科学新闻》杂志

“破碎的鳄鱼”是一条生活在白垩纪中期澳洲昆士兰的史前鳄鱼。之所以称之为“破碎”,是因为这条鳄鱼的化石是在澳大利亚大自流盆地一块巨大的、破碎的巨石中被发现的。当时,科学家万万没想到,这一发现会在日后提供前所未有的白垩纪时期的生命“快照”。

起初,澳大利亚新英格兰大学古生物学家马特·怀特及其同事打算利用X射线计算机断层扫描发掘这块化石中的秘密。然而,由于化石中骨头周围富含铁,这使其很难获得良好的X射线图像。

于是,他们将这块化石送到了澳大利亚中子散射中心。该中心化学家约瑟夫·贝维特使用中子成像仪器,在鳄鱼肠道化石中惊讶地发现了一只鸡大小的幼年恐龙的骨骼。这意味着这条鳄鱼吃了一只恐龙幼崽,还没消化就被“定格”成了化石。最终,他们将这条鳄鱼命名为“破碎的鳄鱼·恐龙杀手”。相关研究稍早时间发表在《冈瓦纳研究》杂志上。

如果没有中子断层扫描技术,这条鳄鱼“最后的晚餐”可能永远也不会被曝光。虽然自1932年发现中子后不久,中子就被用于工业和军事领域的成像,但直到最近几十年,这种亚原子粒子才开始为科学家提供前所未有的化石和文物的内部视角。

X射线虽好,但有缺陷

一度以来,研究化石和文物往往意味着破坏或摧毁它们。木乃伊的遗骸被解剖、密封的集装箱被撕开、化石从岩石上被撬……还有些时候,科学家会将含有化石的样本一层又一层碾碎,以创建切片中连续部分的图像,从而揭示内部的化石结构。

幸运的是,X射线可提供非破坏性的视角。自从1895年辐射被发现以来,X射线就提供了对文物隐藏内部的新观察途径。20世纪70年代开发出X射线CT显微成像技术后,它成为研究古生物学和考古学的标准方法。然而,X射线成像仍存在缺点。一方面,X射线无法穿透特别致密的物质,如铅或其他金属的厚层,因此无法看到隐藏在其中的物体;另一方面,由软组织等低密度材料制成的物体在X射线下是不可见的。好在,中子可“填满”这幅成像图。

中子成像区别在于散射

中子,顾名思义,是中性的。这些亚原子粒子不带电荷,而且是直接经过电子并撞击原子中心充满质子和中子的原子核。入射的中子与物质之间主要通过散射、吸收和衍射等方式相互作用。可从原子核反弹,也可被原子吸收。这种相互作用比X射线更复杂,并且取决于中子移动的速度和复杂的量子力学相互作用。

适合断层扫描的中子是用相对较大的粒子加速器产生的,或者是来自核反应堆的副产品。中子的运动速度相对较慢,其能量是CT扫描仪中X射线能量的十亿分之一。这些慢中子与一些低密度物质(包括锂、硼和氢)强烈地相互作用,相比之下,X射线则会轻而易举地穿过这些材料。

在过去的几十年里,随着中子“声名远扬”,越来越多的古生物学家、考古学家和人类学家将中子成像技术作为他们的分析工具。

除了在一只破碎的鳄鱼腹部发现多块恐龙骨骼,中子计算机断层扫描还使研究人员能够在不打开裹尸布的情况下研究猫木乃伊的内部结构,发现使用胶水拼接文物的骗局,并在一条3.8亿年前的鱼身上发现了迄今最古老的脊椎动物心脏。

不过,这项技术对大多数人来说仍然很新颖。

还需扩大技术影响力

尽管用于研究化石和古物的中子断层扫描越来越受欢迎,但X射线CT显微成像技术仍然是大多数研究人员的首选成像方法。

在大多数情况下,X射线就足够用了。它们不仅提供了高分辨率成像,可见微知著,还没有放射性。此外,X射线CT机也在医疗环境中被广泛使用了50多年,而且它们体积小,可放在大多数实验室和博物馆的研究空间中。

目前,地球上只有几十个中子断层扫描设施。产生合适的中子的粒子加速器和核反应堆都很大,价格昂贵,而且受到严格监管。德国慕尼黑技术大学物理学家、负责该校中子成像光束线的伯克哈德·希林格表示,全世界只有少数几个设备可以用来分析化石和古董。

尽管如此,科学家表示,设备缺乏似乎并不是广泛采用这项技术的障碍。除了对挥之不去的放射性的担忧外,中子成像技术还需扩大其影响力,以提高人们对该技术的认知。

 
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