中子

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中子(neutron)是組成原子核的核子之一。中子是組成原子核構成化學元素不可缺少的成分,雖然原子的化學性質是由核內的質子數目確定的,但是如果沒有中子,由於帶正電荷質子間的排斥力,就不可能構成除氫之外的其他元素。

概述

  中子的概念是由盧瑟福提出的,中子的存在是1932年B.查德威克用a粒子轟擊的實驗中證實的。中子

中子-內部結構模型圖

測到太陽微中子

電中性,其質量為 1.6749286 ×10-27千克(939.56563兆電子伏特),比質子的質量稍大,自旋為1/2,磁矩以核磁子作衡量單位為 -1.91304275。自由中子是不穩定的粒子,可通過弱作用衰變為質子,放出一個電子和一個反中微子,平均壽命為896秒。中子是費米子,遵從費米-狄拉克分佈和泡利不相容原理。(右圖片繪製:張嘉年)   中子以聚集態存在於中子星中。太陽系里的中子主要存在於各種原子核中,元素的β衰變就是該元素中的中子釋放一個電子變成上一個元素序列元素的一種變化。   中子可根據其速度而被分類。高能(高速)中子具電離能力,能深入穿透物質。中子是唯一一種能使其他物質具有放XX性之電離輻XX的物質。此過程被稱為「中子激發」。「中子激發」被醫療界,學術界及工業廣泛應用於生產放XX性物質。   高能中子可以在空氣中行進極長距離。中子輻XX需要以富有氫核之物質掩蔽,例如混凝土和水。核反應堆是常見之中子放XX源,以水作為有效之中子掩蔽物。   中子(neutron)是一種電中性的粒子,具有與質子大約相同的質量。中子屬於重子類,由兩個下夸克和一個上夸克構成。絕大多數的原子核都由中子和質子組成(僅有一種氫原子的同位素例外,它由一個質子構成)。在原子核外,自由中子性質不穩定,半衰期為15分鐘。中子衰變時釋放一個電子和一個反中微子而成為質子(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子可以通過吸收和釋放π介子互相轉換。中子是由劍橋大學卡文迪許實驗室的英國物理學家詹姆斯·查德威克于1932年發現的。   以往曾經將中子列為基本粒子的一員。但現今在標準模型理論下,因為中子是由夸克組成,所以它是個複合粒子。   中子和其它常見的次原子粒子最大的分別在於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,無法直接進行觀察,也令它在核轉變中成為非常重要的媒介物。這兩項因素使得它在次原子粒子發現歷史的較後期才被發現。   雖然組成物質的原子在正常情況下不帶電荷,但原子比中子大一萬倍,是由帶負電的電子圍繞帶正電的原子核運行而形成的複雜系統。帶電粒子(如質子,電子,或離子)和電磁波(如伽馬XX線)都會在穿透物質時消耗能量,形式是將所穿透物質離子化。帶電粒子會因此而慢下來,電磁波則會被所穿透物質吸收。中子的情況截然不同,它只會在與原子核近距離接觸時受強相互作用或弱相互作用影響:結果一個自由中子在與原子核直接碰撞前不受任何外力影響。因為原子核太小,碰撞機會極少,因此自由中子會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的動量法則。當被碰撞的原子核很重時,原子核只會有很小的速度;但是,若是碰撞的對象是和中子質量差不多質子,則質子和中子會以幾乎相同的速度飛出。這類的碰撞將會因為製造出的離子而被偵測到。   中子的電中性讓它不僅很難偵測,也很難被控制。電中性使得我們無法以電磁場來加速、減速或是束縛中子。自由中子僅對磁場有很微弱的作用(因為中子存在磁矩)。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動的方式只是放置原子核堆在它們的運動路徑上,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在核反應中扮演重要角色,也是核子武器運作的原理。自由中子則可由核衰變、核反應或高能反應等中子源產生。

自由中子通過弱作用衰變為質子-結構圖

結構

  中子不帶電而具有磁矩。高能電子、μ子或中微子轟擊中子的散XX實驗顯 示中子內部的電荷和磁矩有一定的分佈,說明中子不是點粒子,而具有一定的內部結構。中子是由3個更深層次的粒子——夸克構成的。中子和質子是同一種粒子的兩種不同電荷狀態,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目的中子和質子;在重核中,中子數則大於質子數,例如鈾共有146個中子和92個質子。對於一定質子數的核,中子數可以在一定範圍內取幾種不同的值,形成一個元素的不同同位素。

中子內部結構圖

(右圖片繪製:張嘉年)

用途

  中子是研究核反應很好的轟擊粒子,由於它不帶電,即使能量很低,也能引起核反應

帶型中子檢測儀

  (見中子核反應)。中子還在核裂變反應中起重要作用。電中性的中子不能產生直接的電離作用,無法直接探測,只能通過它與核反應的次級效應來探測。   根據微觀粒子的波粒二象性,中子具有波動性,慢中子的波長約10-10米,與晶體內原子間距相當。中子衍XX是研究晶體結構的重要技術。中子是不帶電的基本粒子,靜止質量為1.6748×10^-27kg,它的半徑約為O.8×10^-15m,與質子大小類似。中子常用符號n表示。

特性

  ①、1932年英國物理學家查德威克在做了用α粒子轟擊鈹的實驗中發現了中子。   ②、單獨存在的中子是不穩定的,平均壽命約為16分,它將衰變成質子、電子和反中微子ν。   ③、原子核由中子和質子組成,原子核內的中子是穩定的。   ④、由於中子不帶電,所以容易打進原子核內,引起各種核反應。   ⑤、中子的自旋量子數為1/2。   ⑥、中子包含兩個具有 -1/3 電荷的下夸克和一個具有 +2/3 電荷的上夸克,其總電荷為零。

中子彈

  1999年5月25日,以美國眾院政策委員會主席考克斯為首的調查委員會,無端指責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製出來的。1930年發現用α粒子轟擊鈹時會產生一種看不見的貫穿能力很強的不帶電粒子,盧瑟福的學生查德威克進一步研究證明了這種粒子質量與質子相差不多的不帶電粒子是盧瑟福曾經預見的中子。   原子彈和氫彈,原子彈、氫彈、中子彈是核武器家族中的3個重要成員。中子是構成物質原子核的基本粒子之一,它的質量與質子相同。中子不帶電,從原子核分裂出來的中子很容易XX原子核,人們利用中子的這個特性,用它轟擊原子核來引出核子反應。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XX為主要殺傷的小型氫彈。   每一種核武器都具有核輻XX、衝擊波、光輻XX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XX起到殺傷作用,它可以在有效的範圍內殺傷坦克裝甲車輛或建築內的人員。如果有一個100噸TNT(即黃色炸藥)當量的中子彈,在距離爆炸中心800米的核輻XX劑量,是同等當量的裂變核武器的幾十倍,但是它爆炸時產生的衝擊波對建築物的破壞半徑只有300米~400米。也就是說,如果有一枚千噸級當量的中子彈在戰場上爆炸,那麼800米範圍內的人員會被殺傷,被殺傷的人員並不是馬上死去,而是慢慢地非常痛苦地死去,受傷者最長可以拖過7天的時間。在中子彈爆炸的300米範圍之外的建築和設施,可以毫髮不損,可是建築物中的人員卻不能倖免于難。中子彈的這種特性,很適合在戰場上作為戰術核武器使用。   中子彈的誕生:它誕生於50年代,是由美國加州大學的一個實驗室開發而成的。隨後,掌握了核武器的國家紛紛開始研製中子彈。1981年,卡特總統批准了中子彈的生產計劃。里根總統上台後,下令生產「長矛」導彈的中子彈頭和可以用榴彈炮發XX的中子彈頭。美軍現在已經有了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XX的中子彈是目前世界上當量最小的中子彈。目前中子彈並沒有在戰場上投入使用。中子彈可以用飛機、導彈、榴彈炮來發XX。美、英、法、俄的許多戰鬥機經過改裝都可以發XX帶有中子彈頭的對地導彈。

中子核反應

  中子核反應neutron induced nuclear reaction中子同原子核相互作用引起的核反應。中子的重要特徵是不帶電,不存在庫侖勢壘的阻擋,這就使得幾乎任何能量的中子同任何核素都能發生反應,在實際應用中,低能中子的反應起更重要的作用。中子核反應主要有:   ①、 中子裂變反應。某些重核如235U俘獲中子發生裂變,記作(n,f),裂變同時還放出2~3個瞬發中子,並釋放很大的裂變能,這種中子的增殖可使裂變反應持續不斷進行,形成裂變鏈式反應,這是獲取核能的重要途徑。   ②、中子輻XX俘獲。中子被核俘獲后形成複合核,然後通過放出一個或多個γ光子退激 ,記作( n,γ )研究γXX線的能譜可以得到複合核能級結構、輻XX過程性質的信息,( n,γ )反應對一切穩定核都是重要的,甚至中子能量很低時也能發生,(n,γ) 反應還是生產核燃料 、超鈾元素等的重要反應。   此外 ,還有中子的彈性散XX和非彈性散XX;中子被核吸收可放出 2個、3 個…中子的( n,2n ),( n ,3n)…反應;發XX帶電粒子的(n,X)反應以及吸收中子不放出中子的中子吸收等等。中子核反應在研究核結構和核反應機制及核能利用中占重要地位。

四中子

  「四中子」又稱為「零號元素」。法國里昂的科學家發現一種只有四個中子構成的粒子,這種粒子被稱為"四中子",也有人稱之為"零號元素"。它與天體中的中子星構成類似。

四中子

  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現了六個不可能存在的粒子,它們擁有四個違背物理法則被捆綁在一起的中子,被稱為「四中子」。法國科學家米格爾·馬克和他的同事們正在準備利用加內爾加速器再進行一次試驗,如果他們成功的話,這些核團簇將迫使我們對原子核之間的結合力量進行重新考慮。在上一次試驗中,研究小組向一個小型碳目標發XX鈹原子,對XX入四周粒子探測器的殘片進行分析,想要找到擊中探測器的四個分離中子。結果他們僅在一個探測器中找到了XX線的痕跡,證據表明有四個中子XX了探測器。當然,他們的發現可能是個巧合,四個中子只是在同一時間擊中了同一地方,但這在理論上是完全不可能的。   很多人都會認為,四中子是無稽之談,因為按照標準的粒子物理模式,四中子是不可能存在的。根據保利排他理論,即使是兩個質子或中子都是無法在同一系統中擁有相同量子屬性的。事實上,核力再強也無法將兩個中子結合在一起,更不用說四個了。馬克的小組對他們看到的結果非常迷惑,在自己的研究報告中都沒敢寫出相關數據。還有很多更為有力的證據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,這個世界將變成另外一個樣子:大爆炸后各種元素的形成將不會按照我們現在看到的樣子進行,更糟的是,這些元素會迅速變重,超出宇宙所能承受的範圍,或許宇宙會在擴張成形之前就提前崩潰了。然而,這種推斷也存在漏洞,現有的理論的確支持四中子的存在,雖然只是一種隨機的短命粒子。有科學家指出,四個中子同時擊中探測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的理論,這些星體中有大量的中子結合在一起,說明宇宙中存在一種無法解釋的力量實現了它們的相聚。

中子星

  1932年發現中子后不久﹐朗道就提出可能有由中子組成的緻密星。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生於超新星的爆發。1939年奧本海默和沃爾科夫通過

中子星磁力場

  計算建立了第一個中子星的模型。中子星是處於演化後期的恆星,它也是在老年恆星的中心形成的。只不過能夠形成中子星的恆星,其質量更大罷了。根據科學家的計算,當老年恆星的質量大於十個太陽的質量時,它就有可能最後變為一顆中子星,而質量小於十個太陽的恆星往往只能變化為一顆白矮星。   脈衝星是中子星的一類。脈衝星,就是變星的一種。脈衝星是在1967年首次被發現的。當時,還是一名女研究生的貝爾,發現狐狸星座有一顆星發出一種周期性的電波。經過仔細分析,科學家認為這是一種未知的天體。因為這種星體不斷地發出電磁脈衝信號,人們就把它命名為脈衝星。脈衝星發XX的XX電脈衝的周期性非常有規律。一開始,人們對此很困惑,甚至曾想到這可能是外星人在向我們發電報聯繫。據說,第一顆脈衝星就曾被叫做「小綠人一號」。經過幾位天文學家一年的努力,終於證實,脈衝星就是正在快速自轉的中子星。而且,正是由於它的快速自轉而發出XX電脈衝。

裂變中子

  原子核裂變時發XX出來的中子。分瞬發中子和緩發中子。瞬發中子是裂變過程中直接放出的中子,在裂變10-4~10-3秒內放XX出來,占裂變中子總數的99%;能量 分佈很寬,從零延伸到15兆電子伏特(MeV),主要分佈在0.1~5MeV範圍內,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XX的中子數也不固定,有的不發XX中子,多數發XX2~3個中子,最多可有7~8個,其平均值稱為平均裂變中子數;的大小對鏈式反應裝置的臨界條件起關鍵作用。緩發中子是裂變碎片因含中子過多不穩定而放XX出來的,碎片核以幾分之一秒到幾十秒的半衰期放XX中子,其數目不足裂變中子總數的1%;其能量分佈也是連續譜,平均能量在1MeV以下;緩發中子在慢中子裂變反應堆的控制上起重要作用。

中子源

  能夠產生中子的裝置 , 進行中子核反應、 中子衍XX等中子物理實驗的必要設備

中子源對堆功率及反應

  。自由中子是不穩定的,它可以衰變為質子放出電子和反電中微子,平均壽命只有15分鐘,無法長期儲存,需要由適當的產生方法源源供應。主要方法有以下3種:   ①放XX性同位素中子源。體積小 ,製備簡單 ,使用方便。(a,n)中子源利用核反應9Be+a→12C+n+5.701兆電子伏特(MeV)將放XXaXX線的238Pu、226Ra 或241Am 同金屬鈹粉末按一定比例均勻混合壓製成小圓柱體密封在金屬殼中。( γ,n )中子源利用核反應中發出的 γ XX線來產生中子 ,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的靶核,通過核反應產生中子,最常用的核反應有(d,n)、(p,n)和(γ,n) 等 ,其中子強度比放XX性同位素中子源大得多。可以在很寬的能區上獲得單能中子。加速器採用脈衝調製后,可成為脈衝中子源。   ③反應堆中子源。利用原子核裂變反應堆產生大量中子。反應堆是最強的熱中子源。在反應堆的壁上開孔,即可把中子引出。所得的中子能量是連續分佈的。很接近麥克斯韋分佈。採取一定的措施,可獲得各種能量的中子束。

中子態

等離子態

  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。然而在幾千攝氏度以上的高溫中,氣態的原子開始拋掉身上的電子,於是帶負電的電子開始自由自在地遊逛,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,這種現象叫做氣體的電離化。科學家把電離化的氣體,叫做「等離子態」。

中子態

  假如在超固態物質上再加上巨大的壓力,那麼原來已經擠得緊緊的原子核和電子,就不可能再緊了,這時候原於核只好宣告解散,從裡面放出質子和中子。從原於核里放出的質子,在極大的壓力下會和電子結合成為中子。這樣一來,物質的構造發生了根本的變化,原來是原子核和電子,現在卻都變成了中子。這樣的狀態,叫做「中子態」。

反中子

反中子-內部結構模型圖

  反中子,中子的反粒子。它是1956年發現的。它的磁矩對於其自旋是反號的。反中子與核子相碰可湮沒為π介子。正電子的發現證實了狄拉克反粒子理論,一些理論物理學家開始認真對待這一理論。1934年泡利與克拉夫證明,即使不能形成穩定的負能粒子海,也會有相應的反粒子存在。於是人們就開始尋找其他粒子的反粒子。   早在1928年,狄拉克便預言了反質子的存在,但證實它的存在卻花了20多年的時間。根據狄拉克的理論,反質子的質量與質子相同,所帶電荷相反,質子與反質子成對出現或湮沒,用兩個普通的質子碰撞便可獲得反質子,但反質子的產生閾能為6.8GeV。1954年,在加利福尼亞大學的勞倫斯輻XX實驗室,建成了64億電子伏的質子同步穩相加速器,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了前一年人們所觀測的反質子的存在。由於反質子出現的機會極少,大約每1000億高能質子的碰撞,才能產生數量很少的反質子,因而證實反質子的存在極為困難。1955年他們這個實驗小組測到60個反質子。由於偶然符合本底不大,記數系統雖不算好,但較為可信。   不久他們又發現反中子。儘管高能粒子打靶時也能產生反中子,但是由於反中子不帶電,更難從其他粒子中鑒別出來。他們是利用反質子與原子核碰撞,反質子把自己的負電荷交給質子,或由質子處取得正電荷,這樣,質子變成了中子,而反質子則變成了反中子。

中子武器

核武器的一種

  中子武器是第三代核武器的一種,中子彈是目前世界上唯一已實現生產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放出巨大能量的原理製成的核武器,因此又被稱為特殊的氫彈。由於它是利用輕核聚變時產生的大量高能中子進行殺傷破壞的一種小型核武器,故又被稱為以高能中子輻XX為主要殺傷力的小型氫彈。

引爆用的原子彈更小

  在中子彈中,引爆用的原子彈更小,只有幾百噸TNT當量。這種原子彈是用鈈-23

中子武器

  9製成的,因其比鈾裝葯能釋放更多的中子,可使中子彈小型化。中子彈主要核裝葯是氘和氚的混合物,而不是氘化鋰。因為氘和氚聚變反應所放出的中子比裂變反應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製作,而是採用鈹和鈹合金做成,這樣高能中子可以自由逸出,同時使放XX性污染的範圍比較小。中子彈的當量較小,一般威力為1千噸TNT當量,要求引爆用的原子彈更小,使其製造難度XX。中子彈的爆炸能由聚變反應產生,並主要以快中子流的形式向四周釋放。它的核輻XX效應特別大,因此其正確名稱應是增強的輻XX武器。

殺傷力

  凡是核武器都具有核輻XX、衝擊波、光輻XX、放XX性污染和電磁脈衝等殺傷力,但對三種核彈來說,這五種因素各自體現的比例都是不同的。同時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,衝擊波和光輻XX占能量的85%,其它3種因素占15%;氫彈爆炸時,衝擊波和光輻XX占能量的65%,其它3種因素占35%;中子彈爆炸時,核輻XX和電磁脈衝占能量的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。氫彈是以衝擊波和光輻XX為主來殺傷生命和破壞設施的,而中子彈是以中子輻XX為主來殺傷生命的,電磁脈衝是隨著中子輻XX而出現的占能量較小部分的強脈衝信號。1千噸梯恩梯當量的中子彈,在距地面90米的低空爆炸時,其衝擊波、光輻XX和放XX性污染的毀壞作用只限在爆心投影點周圍180米的範圍之內,而快中子流以及中子流貫穿輻XX與周圍介質原子互相作用產生的電磁脈衝的殺傷半徑卻可達800米的距離。

貫穿作用很強

  中子的貫穿作用很強,它可以穿透坦克、掩體和磚牆去殺傷人員,而武器和建設物卻能完好的保存下來。由於中子彈放XX性污染比較低,因而被稱為「清潔的」核彈。此外,中子流作用

中子武器

的時間很短,在中子彈襲擊之後,軍隊能很快XX目標區作戰。這些特點,決定了中子彈可作為戰術核武器使用。核武器主要是作為核戰鬥部裝在戰略導彈上,用以摧毀戰略目標。在近程夜戰、空戰和防空中有的導彈也裝有核戰鬥部,用以摧毀地面大面積戰術目標,對付飛機群和攔截攜核彈的轟炸機等。中子彈不僅可以作為核戰鬥部裝在導彈上使用,而且能夠製成炮彈由榴彈炮發XX出去投入戰鬥。

中子探測

  中子探測(neutron detection):對中子的數目和能量的測量。在核能的利用 、放XX性同位素的產生和應用核物理研究中都需要進行中子的探測,然而中子本身不帶電,不會引起電離等作用,不產生直接的可觀察效果,因此中子的探測是通過中子同原子核的相互作用,對反應的產物進行探測。

小容器中子污染探測器

  基本的方法有:①反衝質子法。利用中子與質子的彈性散XX產生反衝質子。在計數器中充以含氫的氣體,或以含氫的固體做成計數器的入XX窗口,通過測量反衝質子的數目和能量分佈可定出中子的數目和能量。②核反應法。利用(n,a)反應或(n,p)反應產生帶電的a粒子或質子來探測中子。用得較多的反應是10B(n,a)7Li。將BF3氣體封入正比計數器,中子反應產生的a粒子引起計數。另一種是利用中子的重核裂變反應,由裂變碎片產生的強電離作用探測中子。在電離室內壁塗鈾化合物或室內封入 UF6氣體。如果用的是235U,則對慢中子靈敏;如果用的是238U ,則對快中子靈敏。③活化法。很多元素在中子照XX下都能變成放XX性核素,因此可以用一片適當材料的薄膜置於中子流中,然後再用通常的計數器測量它的放XX性強變。

反中子

  中子的反粒子。它是1956年發現的。它的磁矩對於其自旋是反號的。反中子與核子相碰可湮沒為π介子。正電子的發現證實了狄拉克反粒子理論,一些理論物理學家開始認真對待這一理論。1934年泡利與克拉夫證明,即使不能形成穩定的負能粒子海,也會有相應的反粒子存在。於是人們就開始尋找其他粒子的反粒子。   早在1928年,狄拉克便預言了反質子的存在,但證實它的存在卻花了20多年的時間。

反中子

  根據狄拉克的理論,反質子的質量與質子相同,所帶電荷相反,質子與反質子成對出現或湮沒,用兩個普通的質子碰撞便可獲得反質子,但反質子的產生閾能為6.8GeV。1954年,在加利福尼亞大學的勞倫斯輻XX實驗室,建成了64億電子伏的質子同步穩相加速器,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了前一年人們所觀測的反質子的存在。由於反質子出現的機會極少,大約每1000億高能質子的碰撞,才能產生數量很少的反質子,因而證實反質子的存在極為困難。1955年他們這個實驗小組測到60個反質子。由於偶然符合本底不大,記數系統雖不算好,但較為可信。   不久他們又發現反中子。儘管高能粒子打靶時也能產生反中子,但是由於反中子不帶電,更難從其他粒子中鑒別出來。他們是利用反質子與原子核碰撞,反質子把自己的負電荷交給質子,或由質子處取得正電荷,這樣,質子變成了中子,而反質子則變成了反中子。

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