變更

中子

增加 38,771 位元組, 4 年前

無編輯摘要

物理学中有专门的[[中子学]]、[[中子物理学]]。

==中子的發現==

1920年，[[欧内斯特·卢瑟福]]首先提出了中子存在的可能性。<ref name="chemed.chem.purdue.edu"/>卢瑟福假設，一種[[原子]]的[[原子量]]同其[[原子序數]]的差別可以用原子核中存在一種[[電中性]][[粒子]]來解釋。他認爲，這種電中性的粒子是由一個電子環繞一個質子構成。<ref>{{cite journal|doi=10.1098/rspa.1920.0040|jstor=93888|title=Bakerian Lecture. Nuclear Constitution of Atoms|year=1920|last1=Rutherford|first1=E.|journal=Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences|volume=97|issue=686|page=374|bibcode = 1920RSPSA..97..374R }}</ref>

1920年代，當時[[物理學]]者公認的[[原子核]]模型是原子核由[[質子]]構成。<ref name = Brown /><ref name=FK />但是，當時已經知道一種原子的原子核只帶有大概其[[原子量]]一半的[[正電荷]]。對這個現象的解釋是原子核中有一些電子，中和了質子的[[電荷]]。以[[氮-14]]核為例：當時認爲此原子核由14個質子和7個核外電子構成。因此，它應該帶7個正電荷，同時[[質量數]]為14。

隨後興起的[[量子力學]]指出，任何能量也無法把電子這樣輕的粒子束縛在像原子核這樣小的區域中。1930年，前[[蘇聯]]的[[維克托·安巴楚勉]]和迪米特裏·伊瓦年科發現原子核不可能只由質子和電子組成；有某種中性的粒子存在于原子核中。<ref>{{cite journal|doi=10.1007/s10511-008-9016-6|title=V. A. Ambartsumian— a life in science|year=2008|page=280|volume=51|journal=Astrophysics |url=http://www.springerlink.com/content/ek2q156624661848/fulltext.pdf|bibcode = 2008Ap.....51..280T|issue=3 }}</ref><ref>Ambartsumian and Ivanenko (1930) "Об одном следствии теории дирака протонов и электронов" (On a Consequence of the Dirac Theory of Protons and Electrons), Доклады Академии Наук СССР (Doklady Akademii Nauk SSSR / Proceedings of the USSR Academy of Sciences) Ser. A, no. 6, pages 153-155. [http://ambartsumian.ru/dvd/Publications/Papers/1930DANSSSR___153A.pdf Available in Russian on-line.]</ref>

1931年，德國物理學者[[瓦尔特·博特]]和赫伯特·貝克爾發現用[[釙]]的高能[[α粒子]]轟擊[[鈹]]、[[硼]]或[[鋰]]這些較輕的元素，會產生一種貫穿力極強的輻射。開始他們認爲這種輻射是[[伽馬射線]]。但是未知輻射比任何已知伽馬射線貫穿力都強，而且實驗結果很難用伽馬射線來解釋。<ref>{{cite journal |doi =10.1007/BF01390908 |title =Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen |trans_title = Artificial excitation of nuclear γ-radiation |year =1930 |last1 =Bothe |first1 =W. |last2 =Becker |first2 =H. |journal =Zeitschrift für Physik |volume =66 |issue =5–6 |page =289|bibcode = 1930ZPhy...66..289B }}</ref><ref>{{cite journal |doi =10.1007/BF01336726 |title =Die in Bor und Beryllium erregten γ-Strahlen |trans_title = Γ-rays excited in boron and beryllium|year =1932 |last1 =Becker |first1 =H. |last2 =Bothe |first2 =W. |journal =Zeitschrift für Physik |volume =76 |issue =7–8 |page =421|bibcode = 1932ZPhy...76..421B }}</ref>1932年，[[伊雷娜·约里奥-居里]]和[[弗雷德里克·约里奥-居里]]在[[巴黎]]發現，如果用這種未知輻射照射[[石蠟]]和其他富含[[氫]]的[[化合物]]，就會釋放出高能質子。<ref>{{cite journal|author=Joliot-Curie, Irène and Joliot, Frédéric | url = http://visualiseur.bnf.fr/CadresFenetre?O=NUMM-3147&I=1236 | title = Émission de protons de grande vitesse par les substances hydrogénées sous l'influence des rayons γ très pénétrants |trans_title = Emission of high-speed protons by hydrogenated substances under the influence of very penetrating γ-rays |volume=194|page= 273 |year=1932|journal= Comptes Rendus}}</ref>雖然這個結果同高能伽馬射線一致，但細緻的數據分析表明未知輻射是伽馬射線的假説越來越牽強。

1932年，[[英國]]物理學家[[詹姆斯·查德威克|詹姆斯·查-{}-德威克]]在[[劍橋大學]]進行了一系列的實驗，以α粒子轰击硼-10原子核得到氮-13原子核和一种新射线，證明伽馬射線假說站不住腳。<ref>

{{cite journal |doi = 10.1098/rspa.1933.0152 |title = Bakerian Lecture. The Neutron |year = 1933 |last1 = Chadwick |first1 = J. |journal = Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences |volume = 142 |issue = 846 |page = 1|bibcode = 1933RSPSA.142....1C }}</ref>他提出這種新輻射是一種[[質量]]近似於質子的中性粒子，並設計了實驗證實了他的理論。<ref>

{{cite journal

|last=Chadwick |first=James

|year=1932

|title=Possible Existence of a Neutron

|journal=[[Nature (journal)|Nature]]

|volume=129 |page=312

|doi=10.1038/129312a0

|bibcode = 1932Natur.129Q.312C

|issue=3252}}</ref>這種中性粒子被稱作中子。<ref>{{cite journal |doi =10.1007/978-3-540-78801-0_3 |chapter =Das Jahr 1932 Die Entdeckung des Neutrons |title =Wolfgang Pauli |series =Sources in the History of Mathematics and Physical Sciences |year =1985 |isbn =978-3-540-13609-5 |volume =6 |page =105}}</ref>

===原子核的中子-質子模型===

在查德威克發現中子以前，流行的[[原子核]]模型為“[[質子]]-[[電子]]”模型。<ref name = Brown>{{cite journal|doi=10.1063/1.2995181|title=The idea of the neutrino|year=1978|last1=Brown|first1=Laurie M.|journal=Physics Today|volume=31|issue=9|pages=23}}</ref><ref name=FK>Friedlander G., Kennedy J.W. and Miller J.M. (1964) ''Nuclear and Radiochemistry'' (2nd edition), Wiley, pp. 22–23 and 38–39</ref>但這個模型存在很多的問題。比如，在[[氮氣]]（N2）的[[分子光譜]]中，[[偶數]][[轉動能級]]的[[越遷]]要比[[奇數]]轉動能級的強烈，這説明偶數[[能級]]上的[[集居數]]比奇數能級的大。根據[[量子力學]]和[[泡利不相容原理]]，這意味著N-14核的[[自旋]]是[[約化普朗克常數]]ħ（[[普朗克常數]]除以2π）的整數倍。<ref>Atkins, P.W. and J. de Paula, P.W. (2006) "Atkins' Physical Chemistry" (8th edition), W.H. Freeman, p. 451</ref><ref>Herzberg, G. (1950) ''Spectra of Diatomic Molecules'' (2nd edition), van Nostrand Reinhold, pp. 133–140</ref>這個結果同質子-電子模型相悖。質子和電子的自旋皆為{{frac|1|2}}ħ。如果一個氮核由14個質子同7個電子組成，無論怎樣組合也無法得到其自旋是ħ的整數倍。

中子-質子模型能夠很好地解決這個問題。從[[β衰變]]中，[[費米]]得出結論說中子的自旋也必須是±{{frac|1|2}}ħ，否則該反應的角動量就不守恆。如果N-14核由三個中子-質子對加上一對自旋方向相同但不配對的中子和質子構成，其自旋恰恰為1ħ。這一理論很快被用到其它核素上。

另外，[[原子光譜]]中通常會有由原子核引起的[[超精細結構]]。這一結構不受電子的自旋影響。這也和質子-電子模型相矛盾。<ref name=Brown/>因爲如果原子核中有電子的話，電子的自旋反轉勢必會導致超精細結構的變化。最終人們意識到，除質子外，原子核中不存在電子，而存在一種中性的粒子，那就是中子。人們很快就接受了原子核是由质子和中子組成的。

== 性質 ==

=== 穩定性和β衰變 ===

[[Image:Beta Negative Decay.svg|thumb|200px|中子β衰變的[[費曼圖]]。經由一個W玻色子，中子衰變為一個質子，同時釋放出一個電子和一個反電子中微子。]]

中子由三個夸克構成。根據[[標准模型]]，爲了保持[[重子數]]守恆，中子唯一可能的衰變途徑是其中一個[[夸克]]通過[[弱相互作用]]改變其[[味_(粒子物理學)|味]]。組成中子的三個夸克中，兩個是[[下夸克]]（電荷−{{frac|1|3}}[[基本电荷|e]]），另外一個是[[上夸克]]（電荷+{{frac|2|3}}e）。一個下夸克可以衰變成一個較輕的上夸克，并釋放出一個[[W玻色子]]。這樣中子可以衰變成[[質子]]，同時釋放出一個[[電子]]和一個[[反電子中微子]]。

==== 自由中子的衰變 ====

自由中子不穩定，其平均壽命為{{val|881.5|1.5|u=秒}}（大概14分鐘42秒）。據此估計其[[半衰期]]為{{val|611.0|1.0|u=秒}}（大概10分鐘11秒）。<ref name="RPP"/>中子的[[衰變]]可用以下方程描述：<ref>[http://pdg.lbl.gov/2007/tables/bxxx.pdf Particle Data Group Summary Data Table on Baryons]. lbl.gov (2007). Retrieved on 2012-08-16.</ref>

:{{SubatomicParticle|Neutron0}} → {{SubatomicParticle|Proton+}} + {{SubatomicParticle|Electron}} + {{SubatomicParticle|Electron antineutrino}}

根據[[中微子]]、[[質子]]和[[電子]]的質量，此反應的[[衰變能]]為0.782343 兆[[電子伏特]]。如果此反應中中微子的[[動能]]忽略不計的話，已測得電子的最大能量為0.782±.013兆電子伏特。<ref>Basic Ideas and Concepts in Nuclear Physics: An Introductory Approach, Third Edition

K. Heyde Taylor & Francis 2004. Print ISBN 978-0-7503-0980-6. eBook ISBN 978-1-4200-5494-1. DOI: 10.1201/9781420054941.ch5. [http://www.crcnetbase.com/doi/abs/10.1201/9781420054941.ch5 full text]{{Dead link|date=2019年10月 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}</ref>這一實驗結果誤差太大，無法用於估計中微子的[[靜止質量]]。

有千分之一的自由中子會在生成質子、電子和中微子的同時，釋放出[[γ射綫]]：

:{{SubatomicParticle|Neutron0}} → {{SubatomicParticle|Proton+}} + {{SubatomicParticle|Electron}} + {{SubatomicParticle|Electron antineutrino}} + {{SubatomicParticle|gamma}}

這種γ射綫是[[轫致辐射]]的結果。當反應中釋放出的電子在質子產生的電磁場中運動時，高速運動的電子驟然減速發出的輻射。有時原子核中[[束縛態]]的中子衰變時，也會產生γ射綫。

有極少量的自由中子（大概百萬分之四）會發生所謂的[[雙体衰變]]。在此反應中，電子在產生后未能獲得足夠的能量脫離質子（估計為13.6電子伏特），於是和質子生成一個中性的[[氫原子]]。反應的所有能量皆轉化為反電子中微子的動能。

==== 束縛態中子的衰變====

不穩定原子核裏的中子可以像自由中子一樣衰變。但是，中子衰變的逆過程也可以發生，即[[逆β衰變]]。質子可以轉變為一個中子，同時放出一個[[正電子]]和一個[[電子中微子]]：

:{{SubatomicParticle|Proton+}} → {{SubatomicParticle|Neutron0}} + {{SubatomicParticle|Positron}} + {{SubatomicParticle|Electron neutrino}}

質子還可以通過[[電子俘獲]]轉變成一個中子，同時放出一個[[電子中微子]]：

:{{SubatomicParticle|Proton+}} + {{SubatomicParticle|Electron}} → {{SubatomicParticle|Neutron0}} + {{SubatomicParticle|Electron neutrino}}

理論上，核内中子俘獲正電子生成質子也是有可能的。但是，兩個因素對此過程不利。一方面原子核帶正電荷，因此同正電子同性相斥。另一方面正電子和電子相遇會發生[[湮滅]]。因此正電子俘獲事件的幾率很小。

因原子核内的中子受到其他因素的制約，穩定性和自由中子不盡相同。比如，如果核内一個中子衰變成質子，核内正電荷的斥力就會增大。這個斥力的[[勢能]]就變成中子衰變的一個[[勢壘]]。如果中子不能突破這個勢壘，它就無法衰變。這也可以解釋在自由狀態下穩定的質子有時會在束縛態中轉變為中子。

===電偶極矩===

[[標准模型]]預言中子具有微小但非零的[[電偶極矩]]。但是測量其數值所需的精度遠遠超過目前的實驗條件。<ref name="sussex">

{{cite press

|date = 20 February 2006

|title = Pear-shaped particles probe big-bang mystery

|url = http://www.sussex.ac.uk/press_office/media/media537.shtml

|publisher = [[University of Sussex]]

|accessdate = 2009-12-14

}}</ref>標准模型不可能是對物理現實的最終和最完整的描述。超越標准模型的新理論得到的數值一般要比標准模型的大得多。目前，至少有四組實驗力圖測量中子的電偶極矩：

*[[勞厄-朗之萬研究所]]（Institut Laue–Langevin）的低溫中子電偶極矩實驗（CryoEDM），在建<ref>[http://hepwww.rl.ac.uk/EDM/index_files/CryoEDM.htm A cryogenic experiment to search for the EDM of the neutron] {{Wayback|url=http://hepwww.rl.ac.uk/EDM/index_files/CryoEDM.htm |date=20120216171059 }}. Hepwww.rl.ac.uk. Retrieved on 2012-08-16.</ref>

*保羅·謝若研究所（Paul Scherrer Institute）的中子電偶極矩實驗（nEDM），在建<ref>[http://nedm.web.psi.ch/ Search for the neutron electric dipole moment: nEDM]. Nedm.web.psi.ch (2001-09-12). Retrieved on 2012-08-16.</ref>

*[[橡樹嶺國家實驗室]][[散裂中子源]]（Spallation Neutron Source）的中子電偶極矩實驗（nEDM），擬建<ref>[http://p25ext.lanl.gov/edm/edm.html SNS Neutron EDM Experiment] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20110210021529/http://p25ext.lanl.gov/edm/edm.html |date=2011-02-10 }}. P25ext.lanl.gov. Retrieved on 2012-08-16.</ref>

*勞厄-朗之萬研究所的中子電偶極矩實驗（nEDM），在建<ref>[http://nrd.pnpi.spb.ru/LabSereb/neutronedm.htm Measurement of the Neutron Electric Dipole Moment]. Nrd.pnpi.spb.ru. Retrieved on 2012-08-16.</ref>

=== 磁矩 ===

雖然中子是電中性粒子，但是中子具有微小但非零的[[磁矩]]。

===反中子===

反中子是中子的[[反粒子]]，是由布魯斯·考克（Bruce Cork）於1956年發現，比[[反質子]]的發現晚一年時間。[[CPT對稱]]理論對粒子和反粒子的性質有嚴格的限制，因此觀測中子-反中子可以對CPT對稱進行縝密的檢驗。中子和反中子質量差異約為{{val|9|6|e=-5}}，僅為2σ，不足以證明CPT對稱破缺。<ref name="RPP">{{cite journal|doi=10.1088/0954-3899/37/7A/075021|title=Review of Particle Physics|year=2010|last1=Nakamura|first1=K|journal=Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics|volume=37|issue=7A|pages=075021|bibcode = 2010JPhG...37g5021N }} [http://pdg.lbl.gov/2011/listings/rpp2011-list-n.pdf PDF with 2011 partial update for the 2012 edition]</ref>

===中子結構和電荷的幾何分佈===

一篇2007年發表的文章進行了不依賴于模型的分析后作出結論，中子的外殼帶[[負電荷]]，中間層帶[[正電荷]]，而中心帶有負電荷。<ref>

{{cite journal

|author=Miller, G.A.

|year=2007

|title=Charge Densities of the Neutron and Proton

|journal=[[Physical Review Letters]]

|volume=99 |page=112001

|doi=10.1103/PhysRevLett.99.112001

|bibcode=2007PhRvL..99k2001M

|issue=11

}}</ref>簡單的說，中子的電負性外殼同質子相互吸引。但是，在原子核中，質子和中子之間最主要的作用力為[[核力]]。這種力跟粒子是否帶電荷無關。

== 中子復合物 ==

=== 雙中子穩定對和四中子穩定核===

[[法國國家科學研究中心]]核物理實驗室的弗朗西斯科-米高兒·馬科斯（Francisco-Miguel Marqués）帶領的研究團隊在觀察鈹-14核的裂變時，提出了{{link-en|四中子|Tetraneutron|四中子穩定核}}的假説。<ref name="marques02">{{cite journal | last = Marqués | first = F. M. | coauthors = ''et al.'' | year = 2002 | title = Detection of neutron clusters | journal = [[Physical Review C]] | volume = 65 | issue = 4 | pages = 044006 | doi = 10.1103/PhysRevC.65.044006 | arxiv = nucl-ex/0111001 |bibcode = 2002PhRvC..65d4006M }}</ref>這一假説認爲，四個中子能形成一個穩定的原子核。現有理論認爲這種組合不穩定。後來的實驗工作未能重復馬科斯等人的發現。2016年2月，日本[[東京大學]]物理學者下浦享（Susumu SHIMOURA）等發表論文稱，他們首次在實驗中觀測到了四中子穩定核的存在。<ref name="Shimoura">{{cite journal | last = Shimoura | first = S. | coauthors = ''et al.'' | year = 2016 | title = Candidate Resonant Tetraneutron State Populated by the He4(He8,Be8) Reaction

| journal = [[Physical Review Letters]] | volume = 116 | pages = 052501 | doi = 10.1103/PhysRevLett.116.052501}}</ref> 多名物理學者表示，如果這一工作得到證實，將是核物理學的重大發現，並加深我們對核力的理解。<ref name="sciencealert">{{cite web|title=Physicists say they’ve finally confirmed the existence of a 'four neutron-no proton' particle|url=http://www.sciencealert.com/physicists-say-they-ve-finally-confirmed-the-existence-of-a-four-neutron-no-proton-particle|website=sciencealert.com|publisher=sciencealert.com|accessdate=2016-04-11}}</ref><ref>{{cite web|author1=Nigel Orr|title=Can Four Neutrons Tango?|url=http://physics.aps.org/articles/v9/14|website=http://physics.aps.org/|publisher=American Physical Society|accessdate=2016-04-11}}</ref>

此外，還有人認爲兩個中子也能形成一個穩定的對。斯皮尤等人稱在鈹-16的衰變中首次觀測到了[[雙中子|雙中子穩定對]]。<ref name="Spyrou">{{cite journal | last = Spyrou | first = A. | coauthors = ''et al.'' | year = 2012 | title = First Observation of Ground State Dineutron Decay: 16Be | journal = [[Physical Review Letters]] | volume = 108 | pages = 102501 | doi = 10.1103/PhysRevLett.108.102501}}</ref>

=== 0號元素和中子星 ===

在極高溫度和壓力下，比如在大質量[[恆星]]的[[坍縮]]過程中，原子核中的質子可以和核外電子反應轉變為中子。最後的結果就是生成完全由中子構成的[[中子星]]。由於這種星體的巨大引力，有人提出其中的中子會被壓迫變形，成爲一種[[立方密堆積]]的結構，以獲得更高的堆積密度。<ref> {{cite arXiv |last=Felipe J. Llanes-Estrada, Gaspar Moreno Navarro.|eprint=1108.1859|class=nucl-th |title=Cubic neutrons |year=2011 |version=v1 |first1=Felipe J. |author2=Gaspar Moreno Navarro }}</ref>

== 中子的檢測 ==

檢測帶電粒子的最常見方式是尋找其[[電離]]徑跡，比如説在[[云室]]中。但是這種檢測方式不能直接用于中子，因為它不帶電荷。如果中子和原子發生彈性碰撞，會產生觀察得到的電離徑跡。但這個實驗做起來並不容易。因此更常用的中子檢測是間接方式，比如[[中子俘獲]]和[[彈性散射]]。<ref name="Glenn">Glenn F. Knoll (1979) "Radiation Detection and Measurement", John Wiley & Sons, chapter 14</ref>

===中子俘獲===

某些[[核素]]有很高的中子[[反應截面]]。它們在俘獲中子之後，會釋放出容易檢測的輻射，比如[[α粒子]]。常用於此目的的核素包括{{SimpleNuclide|Helium|3}}, {{SimpleNuclide|Lithium|6}}, {{SimpleNuclide|Boron|10}}, {{SimpleNuclide|Uranium|233}}, {{SimpleNuclide|Uranium|235}}, {{SimpleNuclide|Neptunium|237}}和{{SimpleNuclide|Plutonium|239}}。但中子[[反應截面]]一般同中子的能量有關。通常高能中子（[[快中子]]）的反應截面要低於低能中子（[[熱中子]]）。爲了增加反應截面，在檢測高能中子之前需要使中子減速。富含氫的化合物，比如[[聚乙烯]]，可以用作中子[[減速劑]]。但經過減速之後，中子的能量、到達時間以及[[入射角]]皆已不可測量。<ref name="Glenn" />

===彈性散射===

中子可以和原子核發生[[彈性碰撞]]，使原子核在相反方向上發生運動。中子和原子核發生碰撞時，較輕的原子核能夠獲得更大的動能。用彈性散射來檢測中子的儀器稱爲[[快中子檢測器]]。受到正碰的原子核可以電離或撞擊其它物質，產生的電荷和閃爍光子可以很容易偵測到。快中子檢測器最主要的問題是如何區別入射輻射是γ射綫還是中子，因爲二者可以產生類似的結果。快中子檢測器不需要減速劑，因此可以測定中子的能量、到達時間以及[[入射角]]。<ref name="Glenn" />

== 中子的產生和中子源 ==

自由中子因爲[[半衰期]]比較短（10分鐘11秒），因此只能現制現用。某些[[放射性衰變]]（比如[[自發裂變]]和[[中子發射]]）以及一些[[反應堆]]可以用于產生中子。某些核反應，比如用自然產生的α粒子轟擊一些核素（主要是輕元素，比如鈹和氘）引發的[[核裂變]]亦可產生中子。一些高能量核反應，比如高能[[宇宙射綫]]爆發和[[粒子加速器]]中用高能粒子轟擊靶子使其原子核發生分裂，也能產生中子流。一些小型加速器經過優化后專門用於產生中子，被稱作[[中子發生器]]。

在實驗室中，最常用的[[中子源]]是某些衰變時釋放中子的核素。比如[[鐦]]-252（半衰期為2.65年）的自發裂變，100個原子中有3個鐦原子核裂變時會釋放中子，每次裂變會平均產生3.7個中子。用α粒子轟擊鈹靶也可製造中子。一個較爲流行的系統由銻-124和金屬鈹構成。將金屬銻置於反應堆中以[[中子活化]]，銻-123（天然丰度為42.8%）便會轉化為銻-124，半衰期為60.9天。其優點是便於儲存和運輸。<ref>Byrne, J. ''Neutrons, Nuclei, and Matter'', Dover Publications, Mineola, NY, 2011, ISBN 978-0-486-48238-5, pp. 32–33.</ref>

[[File:Institut Laue–Langevin (ILL) in Grenoble, France.jpg|thumb|right|位于[[法國]][[格勒诺布尔]]的勞厄-朗之萬研究所是世界上最重要的中子研究機構之一。]]

高能宇宙射綫轟擊[[大氣層]]的上層不停地產生中子，可以在地面上探測到。在[[火星]]表面[[火星大氣層|大氣]]濃厚到一定程度的地方，由宇宙射綫產生的中子更多。這些中子不但在火星表面直接造成自上而下的輻射危害，還能夠經地表反射后形成自下而上的輻射。這是火星載人航天計劃不能不考慮的一個問題。<ref>{{cite journal |last1=Clowdsley |url=http://www.physicamedica.com/VOLXVII_S1/20-CLOWDSLEY%20et%20alii.pdf |journal=Physica Medica |first1=MS |volume=17 |issue=Suppl 1 |last2=Wilson |pages=94–6 |first2=JW |last3=Kim |first3=MH |last4=Singleterry |first4=RC |last5=Tripathi |first5=RK |last6=Heinbockel |first6=JH |last7=Badavi |first7=FF |last8=Shinn |first8=JL |title=Neutron Environments on the Martian Surface |year=2001 |pmid=11770546 }}{{dead link|date=2017年11月 |bot=InternetArchiveBot |fix-attempted=yes }}</ref>

在[[核聚變]]反應堆中，自由中子是反應的副產品，但卻攜帶了巨大的動能。如果把這些動能轉化為人類可用的能源是一個重大的挑戰。這些自由中子還會製造出大量的[[中子激活]]產物，最後必須當作[[核廢料]]處理。<ref>[http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/4627237.stm Science/Nature | Q&A: Nuclear fusion reactor]. BBC News (2006-02-06). Retrieved on 2010-12-04.</ref>

=== 中子束和中子束的調製===

自由中子束可以通過中子源產生。研究者們可以去特殊研究機構使用其研究反應堆或散裂中子源。比如美國[[橡樹嶺國家實驗室]]就擁有公衆可以申請使用的散裂中子源。<ref>[http://p25ext.lanl.gov/edm/edm.html SNS Neutron EDM Experiment] {{webarchive|url=https://web.archive.org/web/20110210021529/http://p25ext.lanl.gov/edm/edm.html |date=2011-02-10 }}. P25ext.lanl.gov. Retrieved on 2012-08-16.</ref>

因爲其電中性，中子很難加速、減速、聚焦或偏轉。對帶電粒子可以用[[電場]]和[[磁場]]實現上述操作。但這些手段對中子影響不大。但因爲中子擁有微小但非零的磁矩，非均勻[[磁場]]可以起到一些控制作用。中子還可以通過減速、反射和速度選擇來來控制。如同[[光子]]的[[法拉第效應]]，熱中子通過[[磁性材料]]後可以被[[偏振|偏振化]]。通過使用磁鏡和磁性[[干涉濾鏡]]，可以製成極高[[偏振度]]（degree of polarization，中子波的偏振部分所佔有的百分比）、波長為6-7 Å的冷中子束。<ref>Byrne, J. ''Neutrons, Nuclei, and Matter'', Dover Publications, Mineola, NY, 2011, ISBN 978-0-486-48238-5, p. 453.</ref>

== 中子的用途 ==

中子在很多[[核反應]]中扮演重要角色。比如，許多[[核素]]可以俘獲中子，生成[[活化產物]]。對於[[反應堆]]和[[核武器]]的設計來說，對中子的了解極為重要。[[鈾-235]]和[[鈈-239]]的[[裂變]]也是由中子引發的。在對[[凝聚態]]物質的分析中，中子和[[X射線]]的[[散射]][[反應截面]]、對[[磁場]]的敏感程度和貫穿能力可以相互補充。

利用中空[[玻璃]]纖維的[[全反射]]或者表面帶有凹陷的鋁板的反射，可以制成中子[[透鏡]]。這種透鏡有可能可以用於[[中子顯微鏡]]和中子／[[ϒ射線]][[斷層掃描]]照相。<ref>{{cite journal |last=Kumakhov |first=M. A. |coauthors=Sharov, V. A. |year=1992 |title=A neutron lens |journal=[[Nature (journal)|Nature]] |volume=357 |issue= 6377|pages=390–391 |doi=10.1038/357390a0 |bibcode = 1992Natur.357..390K }}</ref><ref>[http://www.physorg.com/news599.html Physorg.com, "New Way of 'Seeing': A 'Neutron Microscope'"]. Physorg.com (2004-07-30). Retrieved on 2012-08-16.</ref><ref>[http://www.nasa.gov/vision/earth/technologies/nuggets.html "NASA Develops a Nugget to Search for Life in Space"]. NASA.gov (2007-11-30). Retrieved on 2012-08-16.</ref>

中子的另一個主要用途是照射材料使之產生ϒ射線。這是[[中子活化分析]]的理論基礎。中子活化分析是一種高靈敏度的痕量分析方法。如果用高通量中子流（如核反應堆中，通量約為1011~1014n.cm-2.sec-1）約可檢測至0.1 ppb的濃度。加速器所生的低通量快中子也可檢測約1 ppm濃度。<ref name="missouri1">http://archaeometry.missouri.edu/naa_overview.html</ref>實際應用中，檢測靈敏度應隨實驗的條件以及被測核素而有所不同。中子活化分析還很少需要或不需要樣品製備環節，對於複雜物質的分析得心應手。最後，中子活化分析是一種“無損”分析法，可以做表面和[[微區分析]]，因此可以用來分析古董、藝術品以及[[法醫]]鑑定。這種分析方法是1936年由喬治‧德‧海韋西（George Hevesy）和希爾德‧李維（Hilde Levi）首創。<ref>{{cite book | title=George de Hevesy | publisher=Copenhagen | author=Levi, Hilde | year=1985.}}</ref>[[瞬發中子活化分析]]具有快速、原位、不需要取樣等特點，可以用於打井時地下[[岩芯]]和工業傳送帶上物品的原位分析，並且是監測爆炸物, 尤其是非金屬類爆炸物的有效手段之一。

中子還可以用來檢測輕核的存在，比如水分子中的氫核。快中子和輕核碰撞時會損失大部分能量。通過測量被氫核減速後的中子，可以測定[[土壤]]中的含水量。

==中子的防護：慢化与屏蔽==

自由中子可以給生物體造成重大的傷害。中子不但能夠對[[生物大分子]]（比如[[DNA]]）造成直接的損傷，還能夠引發[[次生輻射]]，比如[[質子]]和ϒ射線等。因此，輻射防護的基本原則也適用於中子的防護：應盡量避免暴露，盡量遠離中子源，縮短曝光時間。對於[[α射線]]、[[β射線]]和[[γ射線]]，重元素制成的材料通常可以屏蔽，最常用的是[[鉛]]板。但是，這對於中子並不奏效，因為[[元素]]對中子的吸收能力同其[[原子序數]]並沒有直接關係。

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：

* [[弹性散射]]：中子和其他原子发生了弹性碰撞，可失去一部分[[动量]]。因此，如果碰撞目标的质量很大（重原子核），那么中子将原速率反弹。如果碰撞目标与其质量相近（氢核），那么中子可完全停下来，动量完全传给碰撞目标（在电磁力作用下迅速减速）。弹性散射材料富含氢或其他低原子数核素的物质，如石蜡、石墨、混凝土、铍、聚乙烯等。富含[[氫]]核的材料（比如水）會影響到裂變反應堆裡的中子吸收。輕水（正常水分子）對中子親和力很高，因此[[輕水堆]]必須使用濃縮後的裂變材料。[[重水]]（[[氘]]代替水中的氫核的產物）对热中子的[[吸收截面]]是普通水的1/6500，所以可以用於使用非濃縮核材料（天然铀钍）的反應堆，比如[[坎杜反應堆]]（Canada Deuterium Uranium）。

* [[非弹性散射]]：中子被其他原子核吸收成为一个复合核，短时间内又发出一个较低动能的中子，原子核进入激发态，随后发射多个伽马光子。当原子的第一激发能越低越容易发生非弹性散射。而重核的第一激发能低。

* [[中子俘获]]：能量较低的中子被原子吸收后进入激发态，随后辐射伽马射线或阿尔法粒子、贝塔粒子、质子等形式回到基态。镉、硼10的中子俘获能力强。铍的热中子俘获截面小（对中子的散射截面大），所以常用这种散射物质做核反应堆的结构材料，以减少中子的逃逸与损失。

所以中子防护的顺序是：

* 中子能量高时，以非弹性散射为主，应该先用重元素快速消耗快中子的能量；对于几MeV以上的中子，可用含重核或中重核的材料，通过非弹性碰撞使其能量迅速降低

* 中子能量中等时，以弹性散射为主，应该用轻元素将中子慢化为热中子；用含氢材料进一步使其慢化。富含氫核的材料卻可以用來屏蔽中子。[[混凝土]]或者鑲嵌有[[石蠟]]層的混凝土比重元素能夠更好的防護中子。屏蔽快中子最有效的元素是氢，常用材料是含氢成分较多的水、石蜡等。

* 中子能量低时，以中子俘获为主，用镉、硼10等吸收中子。中子防护必然有次生伽马射线辐射。利用B10或Li6等吸收截面大的物质，可使中子能量因原子核反应转换成带电粒子的能量，中子则被它们吸收。屏蔽热中子用中子吸收截面大、俘获γ光子能量低的材料，如硼、锂及其化合物等。某些輕核素，比如[[鋰-6]]，可以吸收熱中子而不產生次生輻射。

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。

== 中子的溫度 ==

===高能中子===

高能中子是加速器轟擊靶子或高能宇宙射線轟擊大氣層所產生的次生粒子。其能量比快中子高得多。动能大于10MeV。有的高能中子可以擁有數十焦耳的動能。它們具有極強的電離性能，比X射綫和質子更能造成細胞的損傷和死亡。<ref>{{cite web | url = http://medicalphysicsweb.org/cws/article/research/34364 | title = Facing up to secondary neutrons | accessdate = 2011-02-08 | first = Tami Freeman | date = May 23, 2008 | publisher = Medical Physics Web | archive-url = https://web.archive.org/web/20101220151101/http://medicalphysicsweb.org/cws/article/research/34364 | archive-date = 2010-12-20 | dead-url = yes }}</ref><ref>{{cite journal | title = Expand+Overview of secondary neutron production relevant to shielding in space | journal = Radiation Protection Dosimetry | date = 2005| volume = 116 | issue = 1–4 | pages = 140–143| doi=10.1093/rpd/nci033 | pmid = 16604615 | last1 = Heilbronn | first1 = L. | last2 = Nakamura | first2 = T | last3 = Iwata | first3 = Y | last4 = Kurosawa | first4 = T | last5 = Iwase | first5 = H | last6 = Townsend | first6 = LW}}</ref>

===快中子===

快中子是在核裂變反應中產生的自由中子，其動能20keV～10MeV ({{val|1.6|e=-13|ul=焦耳}}，1MeV對應的速度約為14000千米/秒，相當於光速的5％。它們被稱作快中子，以區別於熱中子和[[宇宙射線]]或者[[加速器]]中產生的高能中子。核反應中產生的中子符合[[麦克斯韦-玻尔兹曼分布]]，其能量在0到~14兆電子伏特之間。[[鈾−235]]產生的中子平均能量為2兆電子伏特，且超過一半的中子不是快中子。因此僅僅靠鈾−235裂變產生的中子無法引發[[增殖性材料]]（比如[[鈾−238]]和[[釷−232]]）的裂變。

[[Image:Sasahara.svg|thumb|right|300px|輕水堆中的嬗變流程。]]

快中子可以通過減速變成熱中子。在核反應堆中，通常使用[[輕水]]、[[重水]]、或[[石墨]]來使中子減速。

===中能中子===

能量介於快中子和熱中子之間的中子稱為中能中子。這種中子的能量在100eV～20keV之間。[[中子俘獲]]和核裂變的中子[[反應截面]]在這個能量區間有個多共振峰。中能中子在快中子堆和熱中子反應堆中並不重要。但在減速不良的熱中子反應堆中，中能中子可能引發鏈式反應反應性的變化，使得反應的控制更加困難。

某些核燃料吸收中子後並不一定裂變，比如钚−239，這種性質可以用俘獲／裂變的比率來描述。因為俘獲事件不但浪費了一個中子，而且通常會生成熱中子或中能中子無法裂變的核。[[鈾−233]]是個例外。對任何能量的中子，鈾−233的俘獲／裂變比都很好。

===慢中子===

动能在0-1000eV

===高超热中子===

动能在1000～100000eV

===超热中子===

动能在0.025eV～100eV

===熱中子===

熱中子是符合[[麦克斯韦-玻尔兹曼分布]]並且其[[最可幾]][[動能]]約為kT = {{val|0.0253|ul=[[電子伏特]]}} ({{val|4.0|e=-21|ul=[[焦耳]]}})的自由中子，對應這一動能的[[速率]]約為2.2千米/秒。這個速度也是對應於290K（攝氏17度）時麦克斯韦-玻尔兹曼分布下的[[最可幾速率]]。常溫下中子與介質的[[原子核]]發生若干次碰撞後，如果沒有被俘獲就會達到這個速率。熱中子通常有比快中子大得多的有效[[中子俘獲截面]]，也因此會更容易被原子核吸收，形成更重的、通常也不穩定的[[同位素]]。這個現像也被稱為[[中子活化]]。一些裂變反應堆借助於[[減速劑]]實現對快中子的減速，也稱為“熱中子化”。在[[快中子增殖堆]]中，快中子被直接利用，沒有減速的步驟。

===冷中子===

把熱中子冷卻到極低溫度即得到冷中子，比如[[液氫]]或[[液氘]]。這樣的冷中子源一般放置在研究反應堆或散裂中子源的減速劑裡。冷中子源對於[[中子散射試驗]]非常重要。冷中子的能量約5x10−5電子伏特至 0.025電子伏特之間。

[[Image:fusion rxnrate.svg|right|300px|thumb|[[核聚變反應]]速率同[[溫度]]一起急劇上升，達到峰值，然後漸漸回落。同其它有希望用於發電的核聚變反應相比，氘−氚（DT）反應速率在較低溫度（70 千電子伏特，約8億K）達到峰值，而且高於另外的反應。]]

===甚冷中子===

动能在0.0001～0.0000001eV

===超冷中子===

冷中子通過與溫度只有幾K的物質（比如[[固體]]氘或者[[超流體]][[液氦]]）發生[[非彈性散射]]後可以得到超冷中子。其能量小於3x10−7電子伏特。

==核反应与中子==

===裂变中子===

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。

===聚變中子===

氘−氚（DT）聚變反應產生能量較高的中子，動能為14.1兆電子伏特，對應的速度相當於[[光速]]的17％。這些中子是快中子能量的近10倍。氘−氚反應也是最容易點火的反應之一。在[[氘]]核和[[氚]]核的動能達到14.1兆電子伏特的千分之一時，該反應就幾乎達到峰值反應速率。

聚變中子可以有效的引發不可裂變的重元素（比如[[錒系元素]]）的裂變，並釋放出更多的中子。因此，有人提議用將來的[[托卡馬克]]氘−氚聚變反應堆來[[嬗變]]核廢料中的[[超鈾元素]]。[[散裂中子源]]也使用14.1兆電子伏特的中子產生中子。

因為聚變中子不是引起裂變就是散裂，它難以被其它核吸收。[[氫彈]]核武器正是利用了這一特性。首先，聚變反應產生高能量中子。下一步，不可裂變材料（比如[[鈾-238]]）在這些中子的轟擊下發生裂變。這很顯然帶來了一些核安全和擴散上的問題：如果有人掌握了聚變反應，他們也許就可以用無法制造原子彈的核材料（比如[[貧化鈾]]和[[反應堆級鈈]]）制造[[熱核武器]]。

另外一些聚變反應產生的中子能量較低。比如氘−氘（DD）聚變有50％的幾率生成一個2.45兆電子伏特的中子和一個[[氦-3]]核；還有50％的幾率生成[[氚]]核和一個質子。氘−氦−3（D-3He）聚變不生成中子。

==中子弹==

== 参考文献 ==

== 参见 ==

* [[复合粒子]]

* [[粒子列表]]

* [[核子]]

* [[中子電偶極矩]]

* [[0號元素]]

[[Category:重子|N]]

[[Category:中子| ]]

Falconfire

222

次編輯