在某些核反應過程中，比如裂變反應中有中子產生，根據量子力學的波粒二象性原理，這些中子也可看做是具有特定波長的物質波，類似X射線衍射和電子衍射，中子作為一種物質波也可以發生衍射，併成為物質結構測量的一種手段。

但這裡會碰到個難點，核反應中產生的中子流太弱了，所以儘管中子衍射實驗早在1930年就有人做了，但一直到1945年，等反應堆發明後，中子流的強度上去了，才被科學家用於固體結構的測量。

這個技術最初是Wollan（1902-1984）在1945年搞出來的，到了1946年，Schull（1915-2001）也加入進來。1994年，Schull因為發展了中子散射技術而獲得了諾貝爾物理獎，但可惜的是Wollan那個時候已經去世了。

Woollan（左）和Schull（右）在一起工作。

與X射線衍射實驗相比，中子衍射需要龐大的中子源，並且由於中子流太小（亮度太小），衍射峰的強度太弱，導致太小的樣品無法測量，而生長足夠大的樣品對很多材料又是不可能的，這些都限制了早期中子衍射技術的應用。

此外，反應堆出來的中子動能太大了（MeV），導致物質波的波長過短，這意味著必須透過中子減速手續，比如讓中子與重水發生碰撞才能讓中子的動能降低到合適的大小。

最後，中子的“單色性”不好，X射線衍射一般用的是特徵輻射，波長可以認為是固定的，而中子衍射必須先利用布拉格條件篩選出被晶體在特定方向反射的中子流才可得到特定波長的中子流。

入射中子先經過一次晶格衍射（3.Monochromator）後，在特定方向上被引出到樣品（4.Sample）上，才能保證是“單色”的中子衍射。

X射線衍射中，光子是與原子中的電子雲發生散射，而中子衍射中中子是與原子核發生衍射，對X射線衍射而言，越重的元素周圍的電子越多，因此X射線衍射更適合對較重元素進行結構分析，而無法對如H這樣的輕元素分析。但對中子衍射而言，由於H原子核（質子）具有較大的核自旋，中子衍射反而比較容易形成清晰的干涉條紋。

考慮到電子雲本身的尺寸和X射線波長（1埃）比較接近，X射線衍射的成像是“模糊”的而且會有“系統性偏差”（比實際尺寸小），但中子衍射中原子核的尺寸比中子的物質波波長（1埃）要小很多，所以中子衍射測出來的物質結構常數會更準確。

紅色的點代表X射線的散射截面，藍色點代表中子散射截面，可以看到對H來說中子散射截面很大，而X射線散射截面很小。

由於中子本身是電中性的，並且具有磁矩，所以特別適合測量物質的磁有序結構，比如鐵磁序，反鐵磁序和亞鐵磁序。

中子散射技術的核心是中子源，為了獲得高的中子流，除了使用加速器外，還有一種方法是使用散裂中子源，它的原理是使用高能質子撞擊金屬靶，然後把產生的中子引出來做實驗。

散裂中子源的物理原理：高能質子打在鎢上，可以打出大約20箇中子。

目前中國正在廣東東莞建設散裂中子源（CSNS），建成後將是世界上第三大散裂中子源裝置，僅次於美日，是英國散裂中子源功率的4倍，是世界上最大的四個散裂中子源之一。