中子

定義

中子的概念是由英國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福提出，中子的存在是1932年詹姆斯·查德威克用α粒子轟擊的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)的。其質(zhì)量為 1.6749286 ×10-27千克（939.56563兆電子伏特），比質(zhì)子的質(zhì)量稍大，自旋為1/2。

自由中子是不穩(wěn)定的粒子，可通過弱作用衰變?yōu)橘|(zhì)子，放出一個(gè)電子和一個(gè)反中微子，平均壽命為896秒。中子遵從費(fèi)米-狄拉克分布和泡利不相容原理。

以往曾經(jīng)將中子列為基本粒子的一員，但現(xiàn)今在標(biāo)準(zhǔn)模型理論下，由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克構(gòu)成，所以它是個(gè)復(fù)合粒子。

中子以聚集態(tài)存在于中子星（中子星是恒星演化到末期，經(jīng)由重力崩潰發(fā)生超新星爆炸之后，可能成為的少數(shù)終點(diǎn)之一）中。太陽系里的中子主要存在于各種原子核中，元素的β衰變就是該元素中的中子釋放一個(gè)電子變成上一個(gè)元素序列元素的一種變化。

中子可根據(jù)其速度而被分類。高能（高速）中子具電離能力，能深入穿透物質(zhì)。中子是唯一一種能使其他物質(zhì)具有放射性之電離輻射的物質(zhì)。此過程被稱為“中子激發(fā)”?！爸凶蛹ぐl(fā)”被醫(yī)療界，學(xué)術(shù)界及工業(yè)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)放射性物質(zhì)。

高能中子可以在空氣中行進(jìn)極長距離。中子輻射需要以富有氫核之物質(zhì)掩蔽，例如混凝土和水。核反應(yīng)堆是常見之中子放射源，以水作為有效之中子掩蔽物。

中子和其它常見的次原子粒子最大的分別在于中子因其下夸克和上夸克之電荷互相抵消，本身不帶電荷。令它穿透性強(qiáng)，無法直接進(jìn)行觀察，也令它在核轉(zhuǎn)變中成為非常重要的媒介物。這兩項(xiàng)因素使得它在次原子粒子發(fā)現(xiàn)歷史的較后期才被發(fā)現(xiàn)。

雖然組成物質(zhì)的原子在正常情況下不帶電荷，但原子比中子大一萬倍，是由帶負(fù)電的電子圍繞帶正電的原子核運(yùn)行而形成的復(fù)雜系統(tǒng)。帶電粒子（如質(zhì)子，電子，或離子）和電磁波（如伽馬射線）都會(huì)在穿透物質(zhì)時(shí)消耗能量，形式是將所穿透物質(zhì)離子化。帶電粒子會(huì)因此而慢下來，電磁波則會(huì)被所穿透物質(zhì)吸收。中子的情況截然不同，它只會(huì)在與原子核近距離接觸時(shí)受強(qiáng)相互作用或弱相互作用影響：結(jié)果一個(gè)自由中子在與原子核直接碰撞前不受任何外力影響。因?yàn)樵雍颂。鲎矙C(jī)會(huì)極少，因此自由中子會(huì)在一段極長的距離保持不變。

自由中子和原子核的碰撞是彈性碰撞，其遵循宏觀下兩小球彈性碰撞時(shí)的動(dòng)量法則。當(dāng)被碰撞的原子核很重時(shí)，原子核只會(huì)有很小的速度；但是，若是碰撞的對(duì)象是和中子質(zhì)量差不多質(zhì)子，則質(zhì)子和中子會(huì)以幾乎相同的速度飛出。這類的碰撞將會(huì)因?yàn)橹圃斐龅碾x子而被偵測(cè)到。

中子的電中性讓它不僅很難偵測(cè)，也很難被控制。電中性使得我們無法以電磁場(chǎng)來加速、減速或是束縛中子。自由中子僅對(duì)磁場(chǎng)有很微弱的作用（因?yàn)橹凶哟嬖诖啪兀?。真正能有效控制中子的只有核作用力。我們唯一能控制自由中子運(yùn)動(dòng)的方式只是放置原子核堆在它們的運(yùn)動(dòng)路徑上，讓中子和原子核碰撞藉以吸收之。這種以中子撞擊原子核的反應(yīng)在核反應(yīng)中扮演重要角色，也是核子武器運(yùn)作的原理。自由中子則可由核衰變、核反應(yīng)或高能反應(yīng)等中子源產(chǎn)生。

性質(zhì)

穩(wěn)定性和β衰變

中子β衰變的費(fèi)曼圖。經(jīng)由一個(gè)W玻色子，中子衰變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子，同時(shí)釋放出一個(gè)電子和一個(gè)反電子中微子。

中子由三個(gè)夸克構(gòu)成。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，為了保持重子數(shù)守恒，中子唯一可能的衰變途徑是其中一個(gè)夸克通過弱相互作用改變其味。組成中子的三個(gè)夸克中，兩個(gè)是下夸克（電荷 ），另外一個(gè)是上夸克（電荷 ）。一個(gè)下夸克可以衰變成一個(gè)較輕的上夸克，并釋放出一個(gè)W玻色子。這樣中子可以衰變成質(zhì)子，同時(shí)釋放出一個(gè)電子和一個(gè)反電子中微子。

自由中子的衰變

自由中子不穩(wěn)定。據(jù)此估計(jì)其半衰期為611.0±1.0 秒（大概10分鐘11秒）。[18]中子的衰變可用以下方程描述：[19]

根據(jù)中微子、質(zhì)子和電子的質(zhì)量，此反應(yīng)的衰變能為0.782343 兆電子伏特。如果此反應(yīng)中中微子的動(dòng)能忽略不計(jì)的話，已測(cè)得電子的最大能量為0.782±.013兆電子伏特。[20]這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差太大，無法用于估計(jì)中微子的靜止質(zhì)量。

有千分之一的自由中子會(huì)在生成質(zhì)子、電子和中微子的同時(shí)，釋放出γ射線：

這種γ射線是軔致輻射的結(jié)果。當(dāng)反應(yīng)中釋放出的電子在質(zhì)子產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的電子驟然減速發(fā)出的輻射。有時(shí)原子核中束縛態(tài)的中子衰變時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生γ射線。

有極少量的自由中子（大概百萬分之四）會(huì)發(fā)生所謂的雙體衰變。在此反應(yīng)中，電子在產(chǎn)生后未能獲得足夠的能量脫離質(zhì)子（估計(jì)為13.6電子伏特），于是和質(zhì)子生成一個(gè)中性的氫原子。反應(yīng)的所有能量皆轉(zhuǎn)化為反電子中微子的動(dòng)能。

束縛態(tài)中子的衰變

不穩(wěn)定原子核里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(fā)生，即逆β衰變。質(zhì)子可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)中子，同時(shí)放出一個(gè)正電子和一個(gè)電子中微子：

質(zhì)子還可以通過電子俘獲轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子，同時(shí)放出一個(gè)電子中微子：

理論上，核內(nèi)中子俘獲正電子生成質(zhì)子也是有可能的。但是，兩個(gè)因素對(duì)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(huì)發(fā)生湮滅。因此正電子俘獲事件的幾率很小。

因原子核內(nèi)的中子受到其他因素的制約，穩(wěn)定性和自由中子不盡相同。比如，如果核內(nèi)一個(gè)中子衰變成質(zhì)子，核內(nèi)正電荷的斥力就會(huì)增大。這個(gè)斥力的勢(shì)能就變成中子衰變的一個(gè)勢(shì)壘。如果中子不能突破這個(gè)勢(shì)壘，它就無法衰變。這也可以解釋在自由狀態(tài)下穩(wěn)定的質(zhì)子有時(shí)會(huì)在束縛態(tài)中轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶印?/p>

電偶極矩

標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言中子具有微小但非零的電偶極矩。但是測(cè)量其數(shù)值所需的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)驗(yàn)條件。[21]標(biāo)準(zhǔn)模型不可能是對(duì)物理現(xiàn)實(shí)的最終和最完整的描述。超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新理論得到的數(shù)值一般要比標(biāo)準(zhǔn)模型的大得多。目，前，至少有四組實(shí)驗(yàn)力圖測(cè)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(shí)驗(yàn)（CryoEDM），在建[22]

保羅·謝若研究所（Paul Scherrer Institute）的中子電偶極矩實(shí)驗(yàn)（nEDM），在建[23]

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源（Spallation Neutron Source）的中子電偶極矩實(shí)驗(yàn)（nEDM），擬建[24]

勞厄-朗之萬研究所的中子電偶極矩實(shí)驗(yàn)（nEDM），在建[25]

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）于1956年發(fā)現(xiàn)，比反質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)晚一年時(shí)間。CPT對(duì)稱理論對(duì)粒子和反粒子的性質(zhì)有嚴(yán)格的限制，因此觀測(cè)中子-反中子可以對(duì)CPT對(duì)稱進(jìn)行縝密的檢驗(yàn)。中子和反中子質(zhì)量差異約為9±6×10?5，僅為2σ，不足以證明CPT對(duì)稱破缺。[18]

中子結(jié)構(gòu)和電荷的幾何分布

一篇2007年發(fā)表的文章進(jìn)行了不依賴于模型的分析后作出結(jié)論，中子的外殼帶負(fù)電荷，中間層帶正電荷，而中心帶有負(fù)電荷。[26]簡單的說，中子的電負(fù)性外殼同質(zhì)子相互吸引。但是，在原子核中，質(zhì)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(guān)。

結(jié)構(gòu)

中子對(duì)外顯示電中性而具有磁矩。高能電子、μ子或中微子轟擊中子的散射實(shí)驗(yàn)顯 示中子內(nèi)部的電荷和磁矩有一定的分布，說明中子不是點(diǎn)粒子，而具有一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。中子是由3個(gè)更深層次的粒子——夸克構(gòu)成的。中子和質(zhì)子是同一種粒子的兩種不同電荷狀態(tài)，其同位旋為 1/2 ，中子的同位旋第三分量I3=-1/2。在輕核中含有幾乎相等數(shù)目的中子和質(zhì)子；在重核中，中子數(shù)則大于質(zhì)子數(shù)，例如鈾共有146個(gè)中子和92個(gè)質(zhì)子。對(duì)于一定質(zhì)子數(shù)的核，中子數(shù)可以在一定范圍內(nèi)取幾種不同的值，形成一個(gè)元素的不同同位素。

應(yīng)用

中子是研究核反應(yīng)很好的轟擊粒子，由于它不帶電，即使能量很低，也能引起核反應(yīng)

（見中子核反應(yīng)）。中子還在核裂變反應(yīng)中起重要作用。電中性的中子不能產(chǎn)生直接的電離作用，無法直接探測(cè)，只能通過它與核反應(yīng)的次級(jí)效應(yīng)來探測(cè)。

根據(jù)微觀粒子的波粒二象性，中子具有波動(dòng)性，慢中子的波長約10-10米，與晶體內(nèi)原子間距相當(dāng)。中子衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)。中子是不帶電的基本粒子，靜止質(zhì)量為1.6748×10-27kg，它的半徑約為0.8×10-15m，與質(zhì)子大小類似。中子常用符號(hào)n表示。

特性

①、1932年英國物理學(xué)家查德威克在做了用α粒子轟擊鈹?shù)膶?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子。

②、單獨(dú)存在的中子是不穩(wěn)定的，平均壽命約為16分，它將衰變成質(zhì)子、電子和反中微子ν。

③、原子核由中子和質(zhì)子組成，原子核內(nèi)的中子是穩(wěn)定的。

④、由于中子不帶電，所以容易打進(jìn)原子核內(nèi)，引起各種核反應(yīng)。

⑤、中子的自旋量子數(shù)為1/2。

⑥、中子包含兩個(gè)具有 -1/3 電荷的下夸克和一個(gè)具有 +2/3 電荷的上夸克，其總電荷為零。

中子的衰變

在原子核外，自由中子性質(zhì)不穩(wěn)定，壽命約為15分鐘。中子衰變時(shí)釋放一個(gè)電子和一個(gè)反中微子而成為質(zhì)子（β衰變）。同樣的衰變過程在一些原子核中也存在。原子核中的中子和質(zhì)子可以通過吸收和釋放π介子互相轉(zhuǎn)換。

從量子力學(xué)的角度來講，原子核里面的中子也是會(huì)衰變的，只不過幾率可能是極小的；與自由中子不同，原子核里面的中子“質(zhì)量”不一定大于質(zhì)子“質(zhì)量”；原子核里面中子的“質(zhì)量”可能會(huì)比質(zhì)子的小，從而會(huì)發(fā)生質(zhì)子衰變?yōu)橹凶拥氖虑椋辉雍藘?nèi)部構(gòu)成了中子穩(wěn)定存在的環(huán)境。

中子核反應(yīng)

中子核反應(yīng)neutron induced nuclear reaction中子同原子核相互作用引起的核反應(yīng)。中子的重要特征是不帶電，不存在庫侖勢(shì)壘的阻擋，這就使得幾乎任何能量的中子同任何核素都能發(fā)生反應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)用中，低能中子的反應(yīng)起更重要的作用。中子核反應(yīng)主要有：

①、中子裂變反應(yīng)。某些重核如235U俘獲中子發(fā)生裂變，記作（n，f），裂變同時(shí)還放出2～3個(gè)瞬發(fā)中子，并釋放很大的裂變能，這種中子的增殖可使裂變反應(yīng)持續(xù)不斷進(jìn)行，形成裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，這是獲取核能的重要途徑。

②、中子輻射俘獲。中子被核俘獲后形成復(fù)合核，然后通過放出一個(gè)或多個(gè)γ光子退激 ，記作（ n，γ ）研究γ射線的能譜可以得到復(fù)合核能級(jí)結(jié)構(gòu)、輻射過程性質(zhì)的信息，（ n，γ ）反應(yīng)對(duì)一切穩(wěn)定核都是重要的，甚至中子能量很低時(shí)也能發(fā)生，（n，γ） 反應(yīng)還是生產(chǎn)核燃料 、超鈾元素等的重要反應(yīng)。

此外 ，還有中子的彈性散射和非彈性散射；中子被核吸收可放出 2個(gè)、3 個(gè)…中子的（ n，2n ），（ n ，3n）…反應(yīng)；發(fā)射帶電粒子的（n，X）反應(yīng)以及吸收中子不放出中子的中子吸收等等。中子核反應(yīng)在研究核結(jié)構(gòu)和核反應(yīng)機(jī)制及核能利用中占重要地位。

中子源

能夠產(chǎn)生中子的裝置 ， 進(jìn)行中子核反應(yīng)、 中子衍射等中子物理實(shí)驗(yàn)的必要設(shè)備。

自由中子是不穩(wěn)定的，它可以衰變?yōu)橘|(zhì)子放出電子和反電中微子，平均壽命只有15分鐘，無法長期儲(chǔ)存，需要由適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)生方法源源供應(yīng)。主要方法有以下3種：

①放射性同位素中子源。體積小 ，制備簡單 ，使用方便。（a，n）中子源利用核反應(yīng)9Be+a→12C+n+5.701兆電子伏特（MeV）將放射α射線的238Pu、226Ra 或241Am 同金屬鈹粉末按一定比例均勻混合壓制成小圓柱體密封在金屬殼中。（ γ，n ）中子源利用核反應(yīng)中發(fā)出的γ 射線來產(chǎn)生中子 ，有 24Na-Be 源，124Sb-Be源等。

② 加速器中子源。利用加速器加速的帶電粒子轟擊適當(dāng)?shù)陌泻?，通過核反應(yīng)產(chǎn)生中子，最常用的核反應(yīng)有（d，n）、（p，n）和（γ，n） 等 ，其中子強(qiáng)度比放射性同位素中子源大得多?？梢栽诤軐挼哪軈^(qū)上獲得單能中子。加速器采用脈沖調(diào)制后，可成為脈沖中子源。

③反應(yīng)堆中子源。利用原子核裂變反應(yīng)堆產(chǎn)生大量中子。反應(yīng)堆是最強(qiáng)的熱中子源。在反應(yīng)堆的壁上開孔，即可把中子引出。所得的中子能量是連續(xù)分布的。很接近麥克斯韋分布。采取一定的措施，可獲得各種能量的中子束。

中子的狀態(tài)

熱中子

熱中子是符合麥克斯韋－玻耳茲曼分布并且其最可幾動(dòng)能約為kT=0.0253 電子伏特（4.0×10?21 焦耳）的自由中子，對(duì)應(yīng)這一動(dòng)能的速率約為2.2千米/秒。這個(gè)速度也是對(duì)應(yīng)于290K（攝氏17度）時(shí)麥克斯韋-玻爾茲曼分布下的最可幾速率。常溫下中子與介質(zhì)的原子核發(fā)生若干次碰撞后，如果沒有被俘獲就會(huì)達(dá)到這個(gè)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(huì)更容易被原子核吸收，形成更重的、通常也不穩(wěn)定的同位素。這個(gè)現(xiàn)像也被稱為中子活化。一些裂變反應(yīng)堆借助于減速劑實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)堆或散裂中子源的減速劑里。冷中子源對(duì)于中子散射試驗(yàn)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。

核聚變反應(yīng)速率同溫度一起急劇上升，達(dá)到峰值，然后漸漸回落。同其它有希望用于發(fā)電的核聚變反應(yīng)相比，氘?氚（DT）反應(yīng)速率在較低溫度（70 千電子伏特， 約8億K）達(dá)到峰值，而且高于另外的反應(yīng)。

超冷中子

冷中子通過與溫度只有幾K的物質(zhì)（比如固體氘或者超流體液氦）發(fā)生非彈性散射后可以得到超冷中子。其能量小于3x10?7電子伏特。

快中子

快中子是在核裂變反應(yīng)中產(chǎn)生的自由中子，其動(dòng)能可以達(dá)到1兆電子伏特（1.6×10?13 焦耳），對(duì)應(yīng)的速度約為14000千米/秒，相當(dāng)于光速的5%。它們被稱作快中子，以區(qū)別于熱中子和宇宙射線或者加速器中產(chǎn)生的高能中子。核反應(yīng)中產(chǎn)生的中子符合麥克斯韋－玻耳茲曼分布，其能量在0到~14兆電子伏特之間。鈾?235產(chǎn)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(chǎn)生的中子無法引發(fā)增殖性材料（比如鈾?238和釷?232）的裂變。

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(yīng)堆中，通常使用輕水、重水、或石墨來使中子減速。

聚變中子

氘?氚（DT）聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量較高的中子，動(dòng)能為14.1兆電子伏特，對(duì)應(yīng)的速度相當(dāng)于光速的17%。這些中子是快中子能量的近10倍。氘?氚反應(yīng)也是最容易點(diǎn)火的反應(yīng)之一。在氘核和氚核的動(dòng)能達(dá)到14.1兆電子伏特的千分之一時(shí)，該反應(yīng)就幾乎達(dá)到峰值反應(yīng)速率。

聚變中子可以有效的引發(fā)不可裂變的重元素（比如錒系元素）的裂變，并釋放出更多的中子。因此，有人提議用將來的托卡馬克氘?氚聚變反應(yīng)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(chǎn)生中子。

因?yàn)榫圩冎凶硬皇且鹆炎兙褪巧⒘?，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(yīng)產(chǎn)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(fā)生裂變。這很顯然帶來了一些核安全和擴(kuò)散上的問題：如果有人掌握了聚變反應(yīng)，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(yīng)堆級(jí)钚）制造熱核武器。

另外一些聚變反應(yīng)產(chǎn)生的中子能量較低。比如氘?氘（DD）聚變有50%的幾率生成一個(gè)2.45兆電子伏特的中子和一個(gè)氦-3核；還有50%的幾率生成氚核和一個(gè)質(zhì)子。氘?氦?3（D-3He）聚變不生成中子。

中能中子

能量介于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1電子伏特至10電子伏特之間。中子俘獲和核裂變的中子反應(yīng)截面在這個(gè)能量區(qū)間有個(gè)多共振峰。中能中子在快中子堆和熱中子反應(yīng)堆中并不重要。但在減速不良的熱中子反應(yīng)堆中，中能中子可能引發(fā)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)反應(yīng)性的變化，使得反應(yīng)的控制更加困難。

某些核燃料吸收中子后并不一定裂變，比如镮?239，這種性質(zhì)可以用俘獲/裂變的比率來描述。因?yàn)榉@事件不但浪費(fèi)了一個(gè)中子，而且通常會(huì)生成熱中子或中能中子無法裂變的核。鈾?233是個(gè)例外。對(duì)任何能量的中子，鈾?233的俘獲/裂變比都很好。

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(chǎn)生的次生粒子。其能量比快中子高得多。有的高能中子可以擁有數(shù)十焦耳的動(dòng)能。它們具有極強(qiáng)的電離性能，比X射線和質(zhì)子更能造成細(xì)胞的損傷和死亡。

相關(guān)物質(zhì)狀態(tài)

等離子態(tài)

原子是由原子核和電子組成的，通常情況下電子都圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。然而在幾千攝氏度以上的高溫中，氣態(tài)的原子開始拋掉身上的電子，于是帶負(fù)電的電子開始自由自在地游逛，而原子也成為帶正電的離子。溫度愈高，氣體原子脫落的電子就愈多，這種現(xiàn)象叫做氣體的電離化?？茖W(xué)家把電離化的氣體，叫做“等離子態(tài)”。

中子態(tài)

假如在超固態(tài)物質(zhì)上再加上巨大的壓力，那么原來已經(jīng)擠得緊緊的原子核和電子，就不可能再緊了，這時(shí)候原子核只好宣告解散，從里面放出質(zhì)子和中子。從原子核里放出的質(zhì)子，在極大的壓力下會(huì)和電子結(jié)合成為中子。這樣一來，物質(zhì)的構(gòu)造發(fā)生了根本的變化，原來是原子核和電子，如今卻都變成了中子。這樣的狀態(tài)，叫做“中子態(tài)”。

中子探測(cè)

中子探測(cè)（Neutron detection）：對(duì)中子的數(shù)目和能量的測(cè)量。在核能的利用 、放射性同位素的產(chǎn)生和應(yīng)用核物理研究中都需要進(jìn)行中子的探測(cè)，然而中子本身不帶電，不會(huì)引起電離等作用，不產(chǎn)生直接的可觀察效果，因此中子的探測(cè)是通過中子同原子核的相互作用，對(duì)反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行探測(cè)。

基本的方法有：

①反沖質(zhì)子法。利用中子與質(zhì)子的彈性散射產(chǎn)生反沖質(zhì)子。在計(jì)數(shù)器中充以含氫的氣體，或以含氫的固體做成計(jì)數(shù)器的入射窗口，通過測(cè)量反沖質(zhì)子的數(shù)目和能量分布可定出中子的數(shù)目和能量。

②核反應(yīng)法。利用（n，a）反應(yīng)或（n，p）反應(yīng)產(chǎn)生帶電的α粒子或質(zhì)子來探測(cè)中子。用得較多的反應(yīng)是10B（n，a）7Li。將BF3氣體封入正比計(jì)數(shù)器，中子反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子引起計(jì)數(shù)。另一種是利用中子的重核裂變反應(yīng)，由裂變碎片產(chǎn)生的強(qiáng)電離作用探測(cè)中子。在電離室內(nèi)壁涂鈾化合物或室內(nèi)封入 UF6氣體。如果用的是235U，則對(duì)慢中子靈敏；如果用的是238U ，則對(duì)快中子靈敏。③活化法。很多元素在中子照射下都能變成放射性核素，因此可以用一片適當(dāng)材料的薄膜置于中子流中，然后再用通常的計(jì)數(shù)器測(cè)量它的放射性強(qiáng)變。

中子彈

1999年5月25日，以美國眾院政策委員會(huì)主席考克斯為首的調(diào)查委員會(huì)，無端指責(zé)中國竊取了美國尚未部署的中子彈。這完全是使用謊言加捏造編制出來的。1930年發(fā)現(xiàn)用α粒子轟擊鈹時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種看不見的貫穿能力很強(qiáng)的不帶電粒子，盧瑟福的學(xué)生查德威克進(jìn)一步研究證明了這種粒子質(zhì)量與質(zhì)子相差不多的不帶電粒子是盧瑟福曾經(jīng)預(yù)見的中子。

原子彈、氫彈、中子彈是核武器家族中的3個(gè)重要成員。中子是構(gòu)成物質(zhì)原子核的基本粒子之一，它的質(zhì)量與質(zhì)子相同。中子不帶電，從原子核分裂出來的中子很容易進(jìn)入原子核，人們利用中子的這個(gè)特性，用它轟擊原子核來引出核子反應(yīng)。這就是中子彈。中子彈在爆炸釋放大量的高能中子，是以高能中子輻射為主要?dú)男⌒蜌鋸棥?/p>

每一種核武器都具有核輻射、沖擊波、光輻射等殺傷力，中子彈也有核武器的這些特性，但是中子彈的殺傷特性主要不是在這些方面，中子彈主要是靠中子的輻射起到殺傷作用，它可以在有效的范圍內(nèi)殺傷坦克裝甲車輛或建筑內(nèi)的人員。如果有一個(gè)100噸TNT（即黃色炸藥）當(dāng)量的中子彈，在距離爆炸中心800米的核輻射劑量，是同等當(dāng)量的裂變核武器的幾十倍，但是它爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波對(duì)建筑物的破壞半徑只有300米~400米。也就是說，如果有一枚千噸級(jí)當(dāng)量的中子彈在戰(zhàn)場(chǎng)上爆炸，那么800米范圍內(nèi)的人員會(huì)被殺傷，被殺傷的人員并不是馬上死去，而是慢慢地非常痛苦地死去，受傷者最長可以拖過7天的時(shí)間。在中子彈爆炸的300米范圍之外的建筑和設(shè)施，可以毫發(fā)不損，可是建筑物中的人員卻不能幸免于難。中子彈的這種特性，很適合在戰(zhàn)場(chǎng)上作為戰(zhàn)術(shù)核武器使用。

中子彈的誕生：它誕生于50年代，是由美國加州大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)而成的。隨后，掌握了核武器的國家紛紛開始研制中子彈。1981年，卡特總統(tǒng)批準(zhǔn)了中子彈的生產(chǎn)計(jì)劃。里根總統(tǒng)上臺(tái)后，下令生產(chǎn)“長矛”導(dǎo)彈的中子彈頭和可以用榴彈炮發(fā)射的中子彈頭。美軍已經(jīng)有了203毫米榴彈炮的中子彈頭和155毫米中子彈的彈頭。這兩種用炮彈發(fā)射的中子彈是世界上當(dāng)量最小的中子彈。中子彈并沒有在戰(zhàn)場(chǎng)上投入使用。中子彈可以用飛機(jī)、導(dǎo)彈、榴彈炮來發(fā)射。美、英、法、俄的許多戰(zhàn)斗機(jī)經(jīng)過改裝都可以發(fā)射帶有中子彈頭的對(duì)地導(dǎo)彈。

中子彈是世界上唯一已實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和部署的一種第三代核武器。

中子彈也是一種利用核材料聚變反應(yīng)放出巨大能量的原理制成的核武器，因此又被稱為特殊的氫彈。由于它是利用輕核聚變時(shí)產(chǎn)生的大量高能中子進(jìn)行殺傷破壞的一種小型核武器，故又被稱為以高能中子輻射為主要?dú)Φ男⌒蜌鋸棥?/p>

小型化

在中子彈中，引爆用的原子彈更小，只有幾百噸TNT當(dāng)量。這種原子彈是用钚-23

9制成的，因其比鈾裝藥能釋放更多的中子，可使中子彈小型化。中子彈主要核裝藥是氘和氚的混合物，而不是氘化鋰。因?yàn)殡碗熬圩兎磻?yīng)所放出的中子比裂變反應(yīng)所放出的中子多得多，而鋰可以吸收大部分中子。中子彈的外殼一般不用鈾-238制作，而是采用鈹和鈹合金做成，這樣高能中子可以自由逸出，同時(shí)使放射性污染的范圍比較小。中子彈的當(dāng)量較小，一般威力為1千噸TNT當(dāng)量，要求引爆用的原子彈更小，使其制造難度增大。中子彈的爆炸能由聚變反應(yīng)產(chǎn)生，并主要以快中子流的形式向四周釋放。它的核輻射效應(yīng)特別大，因此其正確名稱應(yīng)是增強(qiáng)的輻射武器。

殺傷力強(qiáng)

凡是核武器都具有核輻射、沖擊波、光輻射、放射性污染和電磁脈沖等殺傷力，但對(duì)三種核彈來說，這五種因素各自體現(xiàn)的比例都是不同的。同時(shí)在不同的爆炸方式下，各種殺傷破壞因素在釋放的總能量中所占的比例也不完全相同。大體來說，原子彈爆炸時(shí)，沖擊波和光輻射占能量的85%，其它3種因素占15%；氫彈爆炸時(shí)，沖擊波和光輻射占能量的65%，其它3種因素占35%；中子彈爆炸時(shí)，核輻射和電磁脈沖占能量的70%以上，其它3種因素占30%以下。由此可見，氫彈和中子彈雖然都屬核聚變武器，但它們的殺傷形式是不同的。氫彈是以沖擊波和光輻射為主來殺傷生命和破壞設(shè)施的，而中子彈是以中子輻射為主來殺傷生命的，電磁脈沖是隨著中子輻射而出現(xiàn)的占能量較小部分的強(qiáng)脈沖信號(hào)。1千噸TNT當(dāng)量的中子彈，在距地面90米的低空爆炸時(shí)，其沖擊波、光輻射和放射性污染的毀壞作用只限在爆心投影點(diǎn)周圍180米的范圍之內(nèi)，而快中子流以及中子流貫穿輻射與周圍介質(zhì)原子互相作用產(chǎn)生的電磁脈沖的殺傷半徑卻可達(dá)800米的距離。

貫穿作用很強(qiáng)

中子的貫穿作用很強(qiáng)，它可以穿透坦克、掩體和磚墻去殺傷人員，而武器和建設(shè)物卻能完好的保存下來。由于中子彈放射性污染比較低，因而被稱為“清潔的”核彈。此外，中子流作用的時(shí)間很短，在中子彈襲擊之后，軍隊(duì)能很快進(jìn)入目標(biāo)區(qū)作戰(zhàn)。這些特點(diǎn)，決定了中子彈可作為戰(zhàn)術(shù)核武器使用。核武器主要是作為核戰(zhàn)斗部裝在戰(zhàn)略導(dǎo)彈上，用以摧毀戰(zhàn)略目標(biāo)。在近程夜戰(zhàn)、空戰(zhàn)和防空中有的導(dǎo)彈也裝有核戰(zhàn)斗部，用以摧毀地面大面積戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)，對(duì)付飛機(jī)群和攔截?cái)y核彈的轟炸機(jī)等。中子彈不僅可以作為核戰(zhàn)斗部裝在導(dǎo)彈上使用，而且能夠制成炮彈由榴彈炮發(fā)射出去投入戰(zhàn)斗。

構(gòu)成的物質(zhì)

四中子

“四中子”又稱為“零號(hào)元素”。法國里昂的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種只有四個(gè)中子構(gòu)成的粒子，這種粒子被稱為"四中子"，也有人稱之為"零號(hào)元素"。它與天體中的中子星構(gòu)成類似。

它的特性為：1、該微粒不顯電性，2.它與普通中子互稱為同位素。

法國一部粒子加速器上發(fā)現(xiàn)了六個(gè)不可能存在的粒子，它們擁有四個(gè)違背物理法則被捆綁在一起的中子，被稱為“四中子”。法國科學(xué)家米格爾·馬克和他的同事們正在準(zhǔn)備利用加內(nèi)爾加速器再進(jìn)行一次試驗(yàn)，如果他們成功的話，這些核團(tuán)簇將迫使我們對(duì)原子核之間的結(jié)合力量進(jìn)行重新考慮。在上一次試驗(yàn)中，研究小組向一個(gè)小型碳目標(biāo)發(fā)射鈹原子，對(duì)射入四周粒子探測(cè)器的殘片進(jìn)行分析，想要找到擊中探測(cè)器的四個(gè)分離中子。結(jié)果他們僅在一個(gè)探測(cè)器中找到了射線的痕跡，證據(jù)表明有四個(gè)中子進(jìn)入了探測(cè)器。當(dāng)然，他們的發(fā)現(xiàn)可能是個(gè)巧合，四個(gè)中子只是在同一時(shí)間擊中了同一地方，但這在理論上是完全不可能的。

很多人都會(huì)認(rèn)為，四中子是無稽之談，因?yàn)榘凑諛?biāo)準(zhǔn)的粒子物理模式，四中子是不可能存在的。根據(jù)保利排他理論，即使是兩個(gè)質(zhì)子或中子都是無法在同一系統(tǒng)中擁有相同量子屬性的。事實(shí)上，核力再強(qiáng)也無法將兩個(gè)中子結(jié)合在一起，更不用說四個(gè)了。馬克的小組對(duì)他們看到的結(jié)果非常迷惑，在自己的研究報(bào)告中都沒敢寫出相關(guān)數(shù)據(jù)。還有很多更為有力的證據(jù)說明四中子的存在值得懷疑，如果你修改物理法則允許四中子存在的話，這個(gè)世界將變成另外一個(gè)樣子：大爆炸后各種元素的形成將不會(huì)按照我們看到的樣子進(jìn)行，更糟的是，這些元素會(huì)迅速變重，超出宇宙所能承受的范圍，或許宇宙會(huì)在擴(kuò)張成形之前就提前崩潰了。然而，這種推斷也存在漏洞，現(xiàn)有的理論的確支持四中子的存在，雖然只是一種隨機(jī)的短命粒子。有科學(xué)家指出，四個(gè)中子同時(shí)擊中探測(cè)器的可能性是存在的，另外中子星的存在也支持了多中子物質(zhì)的理論，這些星體中有大量的中子結(jié)合在一起，說明宇宙中存在一種無法解釋的力量實(shí)現(xiàn)了它們的相聚。

2016年，科學(xué)家首次提出理論預(yù)測(cè)，四中子體系會(huì)以不穩(wěn)定量子態(tài)或共振態(tài)的形式短暫存在。有科學(xué)家用超級(jí)計(jì)算機(jī)，計(jì)算出四中子形成的共振態(tài)，其壽命僅為3×10-22秒，能量約在0.7萬至100萬電子伏特之間，而能級(jí)寬度在1.1萬至170萬電子伏特間之間。

2022年6月，由來自德國、日本、美國和中國等國的科學(xué)家組成的國際科研團(tuán)隊(duì)在最新一期《自然》雜志上發(fā)表論文稱，他們獲得了迄今最明確的證實(shí)“四中子態(tài)”這種物質(zhì)存在的證據(jù)，有助科學(xué)家更好地理解宇宙是如何形成的，這種新奇的物質(zhì)形態(tài)也可能擁有對(duì)現(xiàn)有或新興技術(shù)有用的性質(zhì)。

中子星

1932年發(fā)現(xiàn)中子后不久﹐朗道就提出可能有由中子組成的致密星。1934年巴德和茲威基也分別提出了中子星的概念，而且指出中子星可能產(chǎn)生于超新星的爆發(fā)。1939年奧本海默和沃爾科夫通過

計(jì)算建立了第一個(gè)中子星的模型。中子星是處于演化后期的恒星，它也是在老年恒星的中心形成的。只不過能夠形成中子星的恒星，其質(zhì)量更大罷了。根據(jù)科學(xué)家的計(jì)算，當(dāng)老年恒星的質(zhì)量大于十個(gè)太陽的質(zhì)量時(shí)，它就有可能最后變?yōu)橐活w中子星，而質(zhì)量小于十個(gè)太陽的恒星往往只能變化為一顆白矮星。

脈沖星是中子星的一類。脈沖星，就是變星的一種。脈沖星是在1967年首次被發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)，還是一名女研究生的貝爾，發(fā)現(xiàn)狐貍星座有一顆星發(fā)出一種周期性的電波。經(jīng)過仔細(xì)分析，科學(xué)家認(rèn)為這是一種未知的天體。因?yàn)檫@種星體不斷地發(fā)出電磁脈沖信號(hào)，人們就把它命名為脈沖星。脈沖星發(fā)射的射電脈沖的周期性非常有規(guī)律。一開始，人們對(duì)此很困惑，甚至曾想到這可能是外星人在向我們發(fā)電報(bào)聯(lián)系。據(jù)說，第一顆脈沖星就曾被叫做“小綠人一號(hào)”。經(jīng)過幾位天文學(xué)家一年的努力，終于證實(shí)，脈沖星就是正在快速自轉(zhuǎn)的中子星。而且，正是由于它的快速自轉(zhuǎn)而發(fā)出射電脈沖。

裂變中子

原子核裂變時(shí)發(fā)射出來的中子。分瞬發(fā)中子和緩發(fā)中子。瞬發(fā)中子是裂變過程中直接放出的中子，在裂變10-4～10-3秒內(nèi)放射出來，占裂變中子總數(shù)的99%；能量分布很寬，從零延伸到15兆電子伏特（MeV），主要分布在0.1～5MeV范圍內(nèi)，235U熱中子裂變中子譜的峰在0.8MeV附近，平均能量在2MeV左右；即使同樣的核在同樣條件下裂變，每次裂變發(fā)射的中子數(shù)也不固定，有的不發(fā)射中子，多數(shù)發(fā)射2～3個(gè)中子，最多可有7～8個(gè)，其平均值稱為平均裂變中子數(shù)；的大小對(duì)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)裝置的臨界條件起關(guān)鍵作用。緩發(fā)中子是裂變碎片因含中子過多不穩(wěn)定而放射出來的，碎片核以幾分之一秒到幾十秒的半衰期放射中子，其數(shù)目不足裂變中子總數(shù)的1%；其能量分布也是連續(xù)譜，平均能量在1MeV以下；緩發(fā)中子在慢中子裂變反應(yīng)堆的控制上起重要作用。

反中子

中子的反粒子。它是1956年發(fā)現(xiàn)的。它的磁矩對(duì)于其自旋是反號(hào)的。反中子與核子相碰可湮沒為π介子。正電子的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了狄拉克反粒子理論，一些理論物理學(xué)家開始認(rèn)真對(duì)待這一理論。1934年泡利與克拉夫證明，即使不能形成穩(wěn)定的負(fù)能粒子海，也會(huì)有相應(yīng)的反粒子存在。于是人們就開始尋找其他粒子的反粒子。

早在1928年，狄拉克便預(yù)言了反質(zhì)子的存在，但證實(shí)它的存在卻花了20多年的時(shí)間。

根據(jù)狄拉克的理論，反質(zhì)子的質(zhì)量與質(zhì)子相同，所帶電荷相反，質(zhì)子與反質(zhì)子成對(duì)出現(xiàn)或湮沒，用兩個(gè)普通的質(zhì)子碰撞便可獲得反質(zhì)子，但反質(zhì)子的產(chǎn)生閾能為6.8GeV。1954年，在加利福尼亞大學(xué)的勞倫斯輻射實(shí)驗(yàn)室，建成了64億電子伏的質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器，這為尋找反粒子提供了條件。1955年，張伯倫和塞格雷用上述加速器證實(shí)了前一年人們所觀測(cè)的反質(zhì)子的存在。由于反質(zhì)子出現(xiàn)的機(jī)會(huì)極少，大約每1000億高能質(zhì)子的碰撞，才能產(chǎn)生數(shù)量很少的反質(zhì)子，因而證實(shí)反質(zhì)子的存在極為困難。1955年他們這個(gè)實(shí)驗(yàn)小組測(cè)到60個(gè)反質(zhì)子。由于偶然符合本底不大，記數(shù)系統(tǒng)雖不算好，但較為可信。

不久他們又發(fā)現(xiàn)反中子。盡管高能粒子打靶時(shí)也能產(chǎn)生反中子，但是由于反中子不帶電，更難從其他粒子中鑒別出來。他們是利用反質(zhì)子與原子核碰撞，反質(zhì)子把自己的負(fù)電荷交給質(zhì)子，或由質(zhì)子處取得正電荷，這樣，質(zhì)子變成了中子，而反質(zhì)子則變成了反中子。

研究情況

2021年11月15日，從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該?？蒲袌F(tuán)隊(duì)與合作單位組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，對(duì)類時(shí)空間中子的電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精確的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果解決了長期存在的光子-核子耦合問題，還觀測(cè)到中子電磁形狀因子隨質(zhì)心能量變化的周期性振蕩結(jié)構(gòu)。

2022年11月，來自加拿大和美國的科學(xué)家在最新一期《科學(xué)進(jìn)展》雜志上發(fā)表論文稱，他們首次在實(shí)驗(yàn)室研制出能產(chǎn)生擁有量子化軌道角動(dòng)量的中子的裝置，為下一代量子材料的研發(fā)提供了全新途徑13。

國內(nèi)裝置

中國散裂中子源(CSNS)是基于強(qiáng)流質(zhì)子加速器的大科學(xué)裝置，通過高功率質(zhì)子束流轟擊重金屬靶產(chǎn)生高通量中子用于開展中子散射研究，CSNS是世界上第四臺(tái)、發(fā)展中國家第一臺(tái)脈沖型散裂中子源。CSNS包括高功率強(qiáng)流質(zhì)子加速器、中子靶站和中子譜儀以及相應(yīng)的配套設(shè)施等。加速器由80 MeV負(fù)氫直線加速器、1.6 GeV快循環(huán)同步加速器及相應(yīng)的束流輸運(yùn)線組成。14