中子

中子（英语：Neutron）是一种电中性的粒子，具有略大于质子的质量。中子属于重子类，由两个下夸克、一个上夸克和用于在它们三者之间作用的胶子共同构成。夸克的静质量只贡献出大约1%质子质量，剩余的质子质量主要源自于夸克的动能与捆绑夸克的胶子场（英语：gluon field）的能量。绝大多数的原子核都由中子和质子组成（仅有氢例外，它仅由一个质子构成）。在原子核外，自由中子性质不稳定，平均寿命约为15分钟。中子衰变时释放一个电子和一个反中微子而成为质子（β衰变）。同样的衰变过程在一些原子核中也存在。原子核中的中子和质子可以通过吸收和释放π介子互相转换。中子是由剑桥大学卡文迪许实验室的英国物理学家詹姆斯·查德威克于1932年发现的。以往曾经将中子列为基本粒子的一员。但现今在标准模型理论下，因为中子是由夸克组成，所以它是个复合粒子。中子和其它常见的亚原子粒子最大的分别在于中子因其下夸克和上夸克之电荷互相抵消，本身不带电荷。另它穿透性强，无法直接进行观察，也令它在核转变中成为非常重要的媒介物。这两项因素使得它在亚原子粒子发展历史的较后期才被发现。虽然组成物质的原子在正常情况下不带电荷，但原子比中子大十万倍，是由带负电的电子围绕带正电的原子核运行而形成的复杂系统。带电粒子（如质子，电子，或离子）和电磁波（如伽马射线）都会在穿透物质时消耗能量，形式是将所穿透物质离子化。带电粒子会因此而慢下来，电磁波则会被所穿透物质吸收。中子的情况截然不同，它只会在与原子核近距离接触时受强相互作用或弱相互作用影响：结果一个自由中子在与原子核直接碰撞前不受任何外力影响。因为原子核太小，碰撞机会极少，因此自由中子会在一段极长的距离保持不变。自由中子和原子核的碰撞是弹性碰撞，其遵循巨观下两小球弹性碰撞时的动量法则。当被碰撞的原子核很重时，原子核只会有很小的速度；但是，若是碰撞的对象是和中子质量差不多质子，则质子和中子会以几乎相同的速度飞出。这类的碰撞将会因为制造出的离子而被侦测到。中子的电中性让它不仅很难侦测，也很难被控制。电中性使得我们无法以电磁场来加速、减速或是束缚中子。自由中子仅对磁场有很微弱的作用（因为中子存在磁矩）。真正能有效控制中子的只有核作用力。我们唯一能控制自由中子运动的方式只是放置原子核堆在它们的运动路径上，让中子和原子核碰撞藉以吸收之。这种以中子撞击原子核的反应在核反应中扮演重要角色，也是核子武器运作的原理。自由中子则可由核衰变、核反应或高能反应等中子源产生。物理学中有专门的中子学、中子物理学。1920年，欧内斯特·卢瑟福首先提出了中子存在的可能性。卢瑟福假设，一种原子的原子量同其原子序数的差别可以用原子核中存在一种电中性粒子来解释。他认为，这种电中性的粒子是由一个电子环绕一个质子构成。1920年代，当时物理学者公认的原子核模型是原子核由质子构成。但是，当时已经知道一种原子的原子核只带有大概其原子量一半的正电荷。对这个现象的解释是原子核中有一些电子，中和了质子的电荷。以氮-14核为例：当时认为此原子核由14个质子和7个核外电子构成。因此，它应该带7个正电荷，同时质量数为14。随后兴起的量子力学指出，任何能量也无法把电子这样轻的粒子束缚在像原子核这样小的区域中。1930年，前苏联的维克托·安巴楚勉和迪米特里·伊瓦年科发现原子核不可能只由质子和电子组成；有某种中性的粒子存在于原子核中。1931年，德国物理学者瓦尔特·博特和赫伯特·贝克尔发现用钋的高能α粒子轰击铍、硼或锂这些较轻的元素，会产生一种贯穿力极强的辐射。开始他们认为这种辐射是伽马射线。但是未知辐射比任何已知伽马射线贯穿力都强，而且实验结果很难用伽马射线来解释。1932年，伊雷娜·约里奥-居里和弗雷德里克·约里奥-居里在巴黎发现，如果用这种未知辐射照射石蜡和其他富含氢的化合物，就会释放出高能质子。虽然这个结果同高能伽马射线一致，但细致的数据分析表明未知辐射是伽马射线的假说越来越牵强。1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克在剑桥大学进行了一系列的实验，以α粒子轰击硼-10原子核得到氮-13原子核和一种新射线，证明伽马射线假说站不住脚。他提出这种新辐射是一种质量近似于质子的中性粒子，并设计了实验证实了他的理论。这种中性粒子被称作中子。在查德威克发现中子以前，流行的原子核模型为“质子-电子”模型。但这个模型存在很多的问题。比如，在氮气（N2）的分子光谱中，偶数转动能级的越迁要比奇数转动能级的强烈，这说明偶数能级上的集居数比奇数能级的大。根据量子力学和泡利不相容原理，这意味着N-14核的自旋是约化普朗克常数ħ（普朗克常数除以2π）的整数倍。这个结果同质子-电子模型相悖。质子和电子的自旋皆为1⁄2ħ。如果一个氮核由14个质子同7个电子组成，无论怎样组合也无法得到其自旋是ħ的整数倍。 中子-质子模型能够很好地解决这个问题。从β衰变中，费米得出结论说中子的自旋也必须是±1⁄2ħ，否则该反应的角动量就不守恒。如果N-14核由三个中子-质子对加上一对自旋方向相同但不配对的中子和质子构成，其自旋恰恰为1ħ。这一理论很快被用到其它核素上。 另外，原子光谱中通常会有由原子核引起的超精细结构。这一结构不受电子的自旋影响。这也和质子-电子模型相矛盾。因为如果原子核中有电子的话，电子的自旋反转势必会导致超精细结构的变化。最终人们意识到，除质子外，原子核中不存在电子，而存在一种中性的粒子，那就是中子。人们很快就接受了原子核是由质子和中子组成的。中子由三个夸克构成。根据标准模型，为了保持重子数守恒，中子唯一可能的衰变途径是其中一个夸克通过弱相互作用改变其味。组成中子的三个夸克中，两个是下夸克（电荷−1⁄3e），另外一个是上夸克（电荷+2⁄3e）。一个下夸克可以衰变成一个较轻的上夸克，并释放出一个W玻色子。这样中子可以衰变成质子，同时释放出一个电子和一个反电子中微子。自由中子不稳定，其平均寿命为7002881500000000000♠881.5±1.5 秒（大概14分钟42秒）。据此估计其半衰期为7002611000000000000♠611.0±1.0 秒（大概10分钟11秒）。中子的衰变可用以下方程描述：根据中微子、质子和电子的质量，此反应的衰变能为0.782343 兆电子伏特。如果此反应中中微子的动能忽略不计的话，已测得电子的最大能量为0.782±.013兆电子伏特。这一实验结果误差太大，无法用于估计中微子的静止质量。有千分之一的自由中子会在生成质子、电子和中微子的同时，释放出γ射线：这种γ射线是轫致辐射的结果。当反应中释放出的电子在质子产生的电磁场中运动时，高速运动的电子骤然减速发出的辐射。有时原子核中束缚态的中子衰变时，也会产生γ射线。有极少量的自由中子（大概百万分之四）会发生所谓的双体衰变。在此反应中，电子在产生后未能获得足够的能量脱离质子（估计为13.6电子伏特），于是和质子生成一个中性的氢原子。反应的所有能量皆转化为反电子中微子的动能。不稳定原子核里的中子可以像自由中子一样衰变。但是，中子衰变的逆过程也可以发生，即逆β衰变。质子可以转变为一个中子，同时放出一个正电子和一个电子中微子：质子还可以通过电子俘获转变成一个中子，同时放出一个电子中微子：理论上，核内中子俘获正电子生成质子也是有可能的。但是，两个因素对此过程不利。一方面原子核带正电荷，因此同正电子同性相斥。另一方面正电子和电子相遇会发生湮灭。因此正电子俘获事件的几率很小。因原子核内的中子受到其他因素的制约，稳定性和自由中子不尽相同。比如，如果核内一个中子衰变成质子，核内正电荷的斥力就会增大。这个斥力的势能就变成中子衰变的一个势垒。如果中子不能突破这个势垒，它就无法衰变。这也可以解释在自由状态下稳定的质子有时会在束缚态中转变为中子。标准模型预言中子具有微小但非零的电偶极矩。但是测量其数值所需的精度远远超过目前的实验条件。标准模型不可能是对物理现实的最终和最完整的描述。超越标准模型的新理论得到的数值一般要比标准模型的大得多。目前，至少有四组实验力图测量中子的电偶极矩：虽然中子是电中性粒子，但是中子具有微小但非零的磁矩。反中子是中子的反粒子，是由布鲁斯·考克（Bruce Cork）于1956年发现，比反质子的发现晚一年时间。CPT对称理论对粒子和反粒子的性质有严格的限制，因此观测中子-反中子可以对CPT对称进行缜密的检验。中子和反中子质量差异约为6995900000000000000♠(9±6)×10−5，仅为2σ，不足以证明CPT对称破缺。一篇2007年发表的文章进行了不依赖于模型的分析后作出结论，中子的外壳带负电荷，中间层带正电荷，而中心带有负电荷。简单的说，中子的电负性外壳同质子相互吸引。但是，在原子核中，质子和中子之间最主要的作用力为核力。这种力跟粒子是否带电荷无关。法国国家科学研究中心核物理实验室的弗朗西斯科-米高儿·马科斯（Francisco-Miguel Marqués）带领的研究团队在观察铍-14核的裂变时，提出了四中子稳定核（英语：Tetraneutron）的假说。这一假说认为，四个中子能形成一个稳定的原子核。现有理论认为这种组合不稳定。后来的实验工作未能重复马科斯等人的发现。2016年2月，日本东京大学物理学者下浦享（Susumu SHIMOURA）等发表论文称，他们首次在实验中观测到了四中子稳定核的存在。 多名物理学者表示，如果这一工作得到证实，将是核物理学的重大发现，并加深我们对核力的理解。此外，还有人认为两个中子也能形成一个稳定的对。斯皮尤等人称在铍-16的衰变中首次观测到了双中子稳定对。在极高温度和压力下，比如在大质量恒星的坍缩过程中，原子核中的质子可以和核外电子反应转变为中子。最后的结果就是生成完全由中子构成的中子星。由于这种星体的巨大引力，有人提出其中的中子会被压迫变形，成为一种立方密堆积的结构，以获得更高的堆积密度。检测带电粒子的最常见方式是寻找其电离径迹，比如说在云室中。但是这种检测方式不能直接用于中子，因为它不带电荷。如果中子和原子发生弹性碰撞，会产生观察得到的电离径迹。但这个实验做起来并不容易。因此更常用的中子检测是间接方式，比如中子俘获和弹性散射。某些核素有很高的中子反应截面。它们在俘获中子之后，会释放出容易检测的辐射，比如α粒子。常用于此目的的核素包括3He, 6Li, 10B, 233U, 235U, 237Np和239Pu。但中子反应截面一般同中子的能量有关。通常高能中子（快中子）的反应截面要低于低能中子（热中子）。为了增加反应截面，在检测高能中子之前需要使中子减速。富含氢的化合物，比如聚乙烯，可以用作中子减速剂。但经过减速之后，中子的能量、到达时间以及入射角皆已不可测量。中子可以和原子核发生弹性碰撞，使原子核在相反方向上发生运动。中子和原子核发生碰撞时，较轻的原子核能够获得更大的动能。用弹性散射来检测中子的仪器称为快中子检测器。受到正碰的原子核可以电离或撞击其它物质，产生的电荷和闪烁光子可以很容易侦测到。快中子检测器最主要的问题是如何区别入射辐射是γ射线还是中子，因为二者可以产生类似的结果。快中子检测器不需要减速剂，因此可以测定中子的能量、到达时间以及入射角。自由中子因为半衰期比较短（10分钟11秒），因此只能现制现用。某些放射性衰变（比如自发裂变和中子发射）以及一些反应堆可以用于产生中子。某些核反应，比如用自然产生的α粒子轰击一些核素（主要是轻元素，比如铍和氘）引发的核裂变亦可产生中子。一些高能量核反应，比如高能宇宙射线爆发和粒子加速器中用高能粒子轰击靶子使其原子核发生分裂，也能产生中子流。一些小型加速器经过优化后专门用于产生中子，被称作中子发生器。在实验室中，最常用的中子源是某些衰变时释放中子的核素。比如锎-252（半衰期为2.65年）的自发裂变，100个原子中有3个锎原子核裂变时会释放中子，每次裂变会平均产生3.7个中子。用α粒子轰击铍靶也可制造中子。一个较为流行的系统由锑-124和金属铍构成。将金属锑置于反应堆中以中子活化，锑-123（天然丰度为42.8%）便会转化为锑-124，半衰期为60.9天。其优点是便于储存和运输。高能宇宙射线轰击大气层的上层不停地产生中子，可以在地面上探测到。在火星表面大气浓厚到一定程度的地方，由宇宙射线产生的中子更多。这些中子不但在火星表面直接造成自上而下的辐射危害，还能够经地表反射后形成自下而上的辐射。这是火星载人航天计划不能不考虑的一个问题。在核聚变反应堆中，自由中子是反应的副产品，但却携带了巨大的动能。如果把这些动能转化为人类可用的能源是一个重大的挑战。这些自由中子还会制造出大量的中子激活产物，最后必须当作核废料处理。自由中子束可以通过中子源产生。研究者们可以去特殊研究机构使用其研究反应堆或散裂中子源。比如美国橡树岭国家实验室就拥有公众可以申请使用的散裂中子源。因为其电中性，中子很难加速、减速、聚焦或偏转。对带电粒子可以用电场和磁场实现上述操作。但这些手段对中子影响不大。但因为中子拥有微小但非零的磁矩，非均匀磁场可以起到一些控制作用。中子还可以通过减速、反射和速度选择来来控制。如同光子的法拉第效应，热中子通过磁性材料后可以被偏振化。通过使用磁镜和磁性干涉滤镜，可以制成极高偏振度（degree of polarization，中子波的偏振部分所占有的百分比）、波长为6-7 Å的冷中子束。中子在很多核反应中扮演重要角色。比如，许多核素可以俘获中子，生成活化产物。对于反应堆和核武器的设计来说，对中子的了解极为重要。铀-235和钚-239的裂变也是由中子引发的。在对凝聚态物质的分析中，中子和X射线的散射反应截面、对磁场的敏感程度和贯穿能力可以相互补充。利用中空玻璃纤维的全反射或者表面带有凹陷的铝板的反射，可以制成中子透镜。这种透镜有可能可以用于中子显微镜和中子／ϒ射线断层扫描照相。中子的另一个主要用途是照射材料使之产生ϒ射线。这是中子活化分析的理论基础。中子活化分析是一种高灵敏度的痕量分析方法。如果用高通量中子流（如核反应堆中，通量约为1011~1014n.cm-2.sec-1）约可检测至0.1 ppb的浓度。加速器所生的低通量快中子也可检测约1 ppm浓度。实际应用中，检测灵敏度应随实验的条件以及被测核素而有所不同。中子活化分析还很少需要或不需要样品制备环节，对于复杂物质的分析得心应手。最后，中子活化分析是一种“无损”分析法，可以做表面和微区分析，因此可以用来分析古董、艺术品以及法医鉴定。这种分析方法是1936年由乔治‧德‧海韦西（George Hevesy）和希尔德‧李维（Hilde Levi）首创。瞬发中子活化分析具有快速、原位、不需要取样等特点，可以用于打井时地下岩芯和工业传送带上物品的原位分析，并且是监测爆炸物, 尤其是非金属类爆炸物的有效手段之一。中子还可以用来检测轻核的存在，比如水分子中的氢核。快中子和轻核碰撞时会损失大部分能量。通过测量被氢核减速后的中子，可以测定土壤中的含水量。自由中子可以给生物体造成重大的伤害。中子不但能够对生物大分子（比如DNA）造成直接的损伤，还能够引发次生辐射，比如质子和ϒ射线等。因此，辐射防护的基本原则也适用于中子的防护：应尽量避免暴露，尽量远离中子源，缩短曝光时间。对于α射线、β射线和γ射线，重元素制成的材料通常可以屏蔽，最常用的是铅板。但是，这对于中子并不奏效，因为元素对中子的吸收能力同其原子序数并没有直接关系。中子防护过程，需要注意中子和其他物质的相互作用主要是三种：所以中子防护的顺序是：中子的慢化过程，对于重核（A＞120）、中重核（40≤A≤120）——中子同核发生非弹性碰撞（散射），迅速降低能量；对于轻核（A＜40）——中子同核发生弹性碰撞（散射），减少能量。高能中子是加速器轰击靶子或高能宇宙射线轰击大气层所产生的次生粒子。其能量比快中子高得多。动能大于10MeV。有的高能中子可以拥有数十焦耳的动能。它们具有极强的电离性能，比X射线和质子更能造成细胞的损伤和死亡。快中子是在核裂变反应中产生的自由中子，其动能20keV～10MeV (6987160000000000000♠1.6×10−13 焦耳，1MeV对应的速度约为14000千米/秒，相当于光速的5％。它们被称作快中子，以区别于热中子和宇宙射线或者加速器中产生的高能中子。核反应中产生的中子符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布，其能量在0到~14兆电子伏特之间。铀−235产生的中子平均能量为2兆电子伏特，且超过一半的中子不是快中子。因此仅仅靠铀−235裂变产生的中子无法引发增殖性材料（比如铀−238和钍−232）的裂变。快中子可以通过减速变成热中子。在核反应堆中，通常使用轻水、重水、或石墨来使中子减速。能量介于快中子和热中子之间的中子称为中能中子。这种中子的能量在100eV～20keV之间。中子俘获和核裂变的中子反应截面在这个能量区间有个多共振峰。中能中子在快中子堆和热中子反应堆中并不重要。但在减速不良的热中子反应堆中，中能中子可能引发链式反应反应性的变化，使得反应的控制更加困难。某些核燃料吸收中子后并不一定裂变，比如钚−239，这种性质可以用俘获／裂变的比率来描述。因为俘获事件不但浪费了一个中子，而且通常会生成热中子或中能中子无法裂变的核。铀−233是个例外。对任何能量的中子，铀−233的俘获／裂变比都很好。动能在0-1000eV动能在1000～100000eV动能在0.025eV～100eV热中子是符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布并且其最可几动能约为kT = 6998253000000000000♠0.0253 ] (6979399999999999999♠4.0×10−21 ])的自由中子，对应这一动能的速率约为2.2千米/秒。这个速度也是对应于290K（摄氏17度）时麦克斯韦-玻尔兹曼分布下的最可几速率。常温下中子与介质的原子核发生若干次碰撞后，如果没有被俘获就会达到这个速率。热中子通常有比快中子大得多的有效中子俘获截面，也因此会更容易被原子核吸收，形成更重的、通常也不稳定的同位素。这个现像也被称为中子活化。一些裂变反应堆借助于减速剂实现对快中子的减速，也称为“热中子化”。在快中子增殖堆中，快中子被直接利用，没有减速的步骤。把热中子冷却到极低温度即得到冷中子，比如液氢或液氘。这样的冷中子源一般放置在研究反应堆或散裂中子源的减速剂里。冷中子源对于中子散射试验非常重要。冷中子的能量约5x10−5电子伏特至 0.025电子伏特之间。动能在0.0001～0.0000001eV冷中子通过与温度只有几K的物质（比如固体氘或者超流体液氦）发生非弹性散射后可以得到超冷中子。其能量小于3x10−7电子伏特。中子能量越大，轰击原子核的裂变物质量分布对称性越大。热中子引发U235或Pu239裂变，其裂变产物包括一较轻的原子核与一较重的核，具有不对称性，二者质量比是2∶3，轻的分裂物集中在质量数90～100之间，较重分裂物集中在质量数130～140之间。铀核裂变1s内它能产生1000代中子，每次裂变平均放出2.5个中子；1kg纯U235，约经过80代中子就可全部裂变完。1947年钱三强在法国居里研究院发现慢中子轰击铀核也有三分裂、四分裂现象，主要是二分裂；三分裂与二分裂之比是0.003，四分裂与二分裂之比是0.0003。核裂变产生的中子叫裂变中子或分裂中子。又细分为瞬发中子和缓发中子（延迟中子），核裂变产生的大部分的中子在分裂瞬间（10-12s内）放出，少数的则延迟放出。例如，U235、U233和Pu239裂变时，瞬发中子占99.2％，缓发中子占0.8％。缓发中子平均能量在1Mev以下。 统计显示，轰击U235，每次裂变放出的瞬发中子最多在2～3个之间，平均值为2.4个，释放的中子的能量平均为1.95MeV，中子能量谱峰值在0.8MeV附近，其中缓发中子的能量平均在300keV～500keV。14MeV的中子引发U235裂变，放出的瞬发中子平均数为4.4个。锎252自发裂变也能产生大量的中子。是一种很好的中子源，其用途广泛。氘−氚（DT）聚变反应产生能量较高的中子，动能为14.1兆电子伏特，对应的速度相当于光速的17％。这些中子是快中子能量的近10倍。氘−氚反应也是最容易点火的反应之一。在氘核和氚核的动能达到14.1兆电子伏特的千分之一时，该反应就几乎达到峰值反应速率。聚变中子可以有效的引发不可裂变的重元素（比如锕系元素）的裂变，并释放出更多的中子。因此，有人提议用将来的托卡马克氘−氚聚变反应堆来嬗变核废料中的超铀元素。散裂中子源也使用14.1兆电子伏特的中子产生中子。因为聚变中子不是引起裂变就是散裂，它难以被其它核吸收。氢弹核武器正是利用了这一特性。首先，聚变反应产生高能量中子。下一步，不可裂变材料（比如铀-238）在这些中子的轰击下发生裂变。这很显然带来了一些核安全和扩散上的问题：如果有人掌握了聚变反应，他们也许就可以用无法制造原子弹的核材料（比如贫化铀和反应堆级钚）制造热核武器。另外一些聚变反应产生的中子能量较低。比如氘−氘（DD）聚变有50％的几率生成一个2.45兆电子伏特的中子和一个氦-3核；还有50％的几率生成氚核和一个质子。氘−氦−3（D-3He）聚变不生成中子。