中子

中子的概念是由英國物理學家歐內斯特·盧瑟福提出，由劍橋大學卡文迪許實驗室的英國物理學家詹姆斯·查德威克於1932年發現的。

其質量為 1.6749286 ×10千克（939.56563兆電子伏特），比質子的質量稍大（質子的質量為1.672621637（83）×10千克），自旋為1/2。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。中子遵從費米-狄拉克分佈和泡利不相容原理。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，由兩個下夸克和一個上夸克構成，所以它是個複合粒子。

中子以聚集態存在於中子星（中子星是恆星演化到末期，經由重力崩潰發生超新星爆炸之後，可能成為的少數終點之一。）中。太陽系裡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射性之電離輻射的物質。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射性物質。

高能中子可以在空氣中行進極長距離。中子輻射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（如伽馬射線）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。

穩定性和β衰變

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。根據標準模型，為了保持重子數守恆，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。組成中子的三個夸克中，兩個是下夸克（電荷），另外一個是上夸克（電荷）。一個下夸克可以衰變成一個較輕的上夸克，並釋放出一個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。據此估計其半衰期為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。[20]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射線：

這種γ射線是軔致輻射的結果。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射線。

有極少量的自由中子（大概百萬分之四）會發生所謂的雙體衰變。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：

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：

理論上，核內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。

因原子核內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，如果核內一個中子衰變成質子，核內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

標準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實驗條件。[21]標準模型不可能是對物理現實的最終和最完整的描述。超越標準模型的新理論得到的數值一般要比標準模型的大得多。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[22]

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

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[24]

勞厄-朗之萬研究所的中子電偶極矩實驗（nEDM），在建[25]

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9±6×10，僅為2σ，不足以證明CPT對稱破缺。[18]

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於模型的分析後作出結論，中子的外殼帶負電荷，中間層帶正電荷，而中心帶有負電荷。[26]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。

中子對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（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米，與晶體內原子間距相當。中子衍射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1.6748×10kg，它的半徑約為0.8×10m，與質子大小類似。中子常用符號n表示。

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。

在原子核外，自由中子性質不穩定，壽命約為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。

為什麼穩定的原子核裡面的中子不衰變？

1.其實這個問題是不成立的。因為，從量子力學的角度來講，原子核裡面的中子也是會衰變的，只不過幾率可能是極小的；

2.與自由中子不同，原子核裡面的中子“質量”不一定大於質子“質量”；原子核裡面中子的“質量”可能會比質子的小，從而會發生質子衰變為中子的事情；

3、原子核內部構成了中子穩定存在的環境。

中子與物質相互作用的類型主要取決於中子的能量。在輻射防護中，根據中子能量的高低，可以把中子分為能量小於5keV的慢中子、能量範圍為5～100keV的中能中子和能量為0．1～500MeV的快中子三大類，其中慢中子中能量小於1eV（一般為0．025eV）的也稱為熱中子。

中子輻射由自由中子所組成，可由自發或感應產生的核裂變，核聚變或其他核反應產生。中子非電離輻射不會電離原子，但可與不同元素之原子核撞擊，進行“中子激發”，產生不穩定同位素，使物質具放射性。

各類中子與物質的原子核相互作用過程基本上可以分為兩類：散射和吸收。散射又可以分為彈性散射和非彈性散射。慢中子與原子核作用的主要形式是吸收，中能中子和快中子與物質作用的主要形式是彈性散射；而對於能量大於10MeV的快中子，和原子核的作用以非彈性散射為主。在上述的中子和物質的相互作用過程中，除了彈性散射之外，其餘各種現象均會產生次級輻射

當中子與物質相互作用時，主要是和原子核內的核力相互作用，與外殼層的電子不會發生作用。中子通過物質時具有很強的穿透力，對人體產生的危險比相同劑量的X射線、γ射線更為嚴重。人體受中子輻射后，腸胃和雄性性腺會嚴重損傷、誘導腫瘤的生物效應高、並易導致早期死亡，同時受損傷的機體易感染且程度重，所致眼晶體混濁的相對生物效應為γ或X射線的2～14倍。造成造血器官衰竭，消化系統損傷，中樞神經損傷。還可以造成惡性腫瘤、白血病、白內障等。中子輻射還會產生遺傳效應，影響受輻射者後代發育。

中子彈可以在有效的範圍內殺傷裝甲防護和建築內的人員。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，受傷者缺少醫治前提下，最長可以拖過7天的時間。

中子流作用的時間很短，對於中子彈等戰術核武器襲擊過的戰場，己方可以快速進入目標區域作戰，而不用擔心放射性污染。

輻射防護是相當重要的。實際工作中大多數情況遇到的是快中子，快中子和物質相互作用時，首先是快中子的散射和減速，然後是慢中子被吸收後放出共化粒子或γ射線。因此中子屏蔽可分為以下兩個過程：

（1）對快中子進行減速。重元素或具有大吸收截面的元素及其化合物可用以減速快中子並吸收次級γ射線。其中，重元素可阻滯快中子，截面大的元素能同時阻滯快中子並吸收慢中子，且不釋放γ粒子。常用的重元素有鉛、鎢、鐵、鋇等，能吸收中子的大截面元素常用的有鋰－6、硼－10、鎘及其化合物或合金，例如碳化硼、氮化硼、鋰化硼等，也有部分稀土元素。通常用重元素阻滯快中子后，還需要用輕元素材料（如含氫多的材料）進一步減速比較慢的中子。這些材料具有較好的耐輻射性能，如水、石蠟、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯等高聚物，同時具有高含量的能阻止中速中子的氫原子，且不產生γ射線二次效應。

（2）對慢中子進行吸收。慢中子吸收后才能完全消除中子危害。常用含鋰或硼的材料，如氟化鋰、溴化鋰、氫氧化鋰，氧化硼、硼酸和碳化硼等吸收慢中子，並減少次級γ射線的產生。顯然，防中子輻射服必須同時具有將快中子慢化和將慢中子吸收的功能。將快中子慢化材料和慢中子吸收物質微粉混合后，在紡絲過程中添加紡制的防中子輻射纖維或無紡布或以後整理的方式塗覆在織物上，得到性能優良的中低能中子屏蔽材料，再通過合理的服裝結構設計，才能達到良好的中子防護效果。

目前，產生中子輻射的設備多為人工操縱，因此中子輻射防護服對於保障該類工作人員的安全尤為重要。中子輻射防護服已廣泛用於核原料提煉廠、石油測井儀器校準室、核反應堆廠房、新型坦克的核防護、戰車乘員和防化兵指戰員的中子防護、公路中子測量現場、中子刀治療室醫務人員和患者防護及國防艦船修造工作人員防護等。