什么是中子

2016/10/20 14:17:45

中子的概念是由英國(guó)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福提出，中子的存在是1932年B.查德威克用a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（質(zhì)子的質(zhì)量為1.672621637（83）×10-27千克），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)”。“中子激發(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(zhǎng)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�子核太小，碰撞機(jī)會(huì)極少，因此自由中子會(huì)在一段極長(zhǎng)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。