中子定义

中子是亚原子粒子，符号为n或n0，略重于质子，不带电荷（既非正电荷也非负电荷）。原子核由质子和中子组成。质子和中子被称为“核子”，因为它们在原子核中的功能相似，并且它们的质量大致等于一个原子质量单位。核物理学解释了它们的相互作用和特性。每个质子和中子都由三个夸克组成；因此它们不是基本粒子。

电子围绕原子重核轨道的排列是决定其化学特性的主要因素。原子核的电荷由质子数量（或原子序数）决定，进而决定电子构型。中子数是中子的总数量。尽管中子对电子构型没有影响，但原子核的质量等于其原子序数和中子数之和。

同位素是元素化学原子的变体，它们只在中子数量上有所不同。例如，原子序数为六的元素碳有两种同位素：常见的碳-12有六个中子，而不常见的碳-13有七个中子。氟是少数在自然界中只有一个稳定同位素的元素之一。锡有十个稳定同位素。有些元素，如锝，根本没有任何稳定同位素。

原子序数和中子数都影响原子核的特性。长程电磁力因质子的正电荷而排斥质子，而核力（强度大得多但作用范围短）则将核子紧密结合在一起。除了只有一个质子的氢核，中子对于原子核的稳定性是必需的。核裂变和核聚变产生大量的中子。它们在裂变、聚变和中子俘获过程中扮演着重要角色，这些过程导致恒星内部化学元素的核合成。

核能的产生需要中子。詹姆斯·查德威克于1932年发现了中子，在接下来的十年里，中子被用于诱导各种核嬗变。1938年发现核裂变后不久，人们就认识到如果一个裂变事件产生中子，每个中子都可以引发更多的裂变事件，形成一个称为核链式反应的链式反应。第一次自持核反应堆（芝加哥1号堆，1942年）和第一颗核武器（三位一体，1945年）就是这些发展的结果。

中子发生器、研究堆和散裂源是可靠的中子源，它们产生自由中子用于中子散射和辐照研究。自由中子的平均寿命约为15分钟，会自发衰变为质子、电子和反中微子。自由中子根据剂量可能构成生物威胁，尽管它们不直接电离原子。相反，它们间接产生电离辐射。地壳中自发裂变材料的固有放射性和宇宙射线阵雨都促成了地球上自由中子微小的“中子背景”通量。

中子的发现

卢瑟福原子核模型（α粒子散射实验）发现了它的存在。在这个实验中，当大多数α粒子不偏离地穿过时，一些以较小角度穿过，另一些以大于180度的角度穿过；它还为我们提供了关于组分粒子排列的非凡信息。它表明存在一个质量粒子，并指出了原子中心（原子核）存在一个粒子的可能性。詹姆斯·查德威克随后于1932年发现了中子。

由于电子质量很小而原子只有质子质量，该模型将会遇到问题。因此，确定原子必须包含一个质量等于或大于质子的中性粒子。卢瑟福明白，如果没有另一种粒子的存在，就无法解释各种元素的原子质量。1920年，卢瑟福声称存在一种质量与质子相等的中性粒子。

1932年，詹姆斯·查德威克在研究卢瑟福于1920年预言的原子人工转化时发现了一种粒子。当快速移动的α粒子撞击一层薄薄的铍箔时，该材料会转化为碳并释放出一个质量与质子相同的中性粒子。这种粒子在其他几个过程中被发现，由于其中性性质而被命名为中子。

中子的性质

• 这些粒子是电中性的。质子的质量为1.675 x 10^-27公斤，而中子的质量为1.675 x 10^-27公斤。
• 由于它们没有电荷，因此无法通过分析方法确定其重量。
• 它们穿透力强，但不如宇宙射线穿透力深。
• 它们不能电离气体。因此，它们无法在威尔逊云室中留下痕迹。
• 以原子质量单位（a.m.u.）估算的原子质量等于其中所有中子和质子的总和。
• 由于其磁场，中子不是基本粒子。
• 磁场对亚原子粒子有影响，而电场则没有影响。
• 其内部电荷分布和夸克亚结构可能与其磁场有关。
• 其质量通过从原子质量中减去质子质量来计算。
• 构成中子的三个夸克是中子磁性分量的原因（夸克模型于1960年代发现）。
• 中子（一种中性粒子）的磁场并非空无一物。

中子的质量和电荷

• 中子完全不带电荷。因此，中子是不带电荷的亚原子粒子。
• 中子的质量大约等于1.008原子质量单位。
• 由于中子不带电荷，质谱法无法直接估算其质量。
• 通过从氘核的质量中减去质子的质量，我们可以得到中子的质量。由于中子的质量很低，我们可以通过从氘原子的质量中减去质子的质量来确定它。

中子的探测

中子不能直接使用典型的电离轨迹搜索方法（例如在云室中）进行探测。其他中子探测方法，例如让它们与原子核相互作用，更常被利用。弹性散射原子的中子可以产生可探测的电离轨迹。因此，广泛使用的中子探测技术可以根据它们所利用的核过程进行分组，即弹性散射或中子俘获。

用于中子探测的中子俘获

中子俘获过程中释放的能量通常被转换为电信号，这是一种流行的中子探测技术。吸收中子的概率被称为中子俘获截面，某些核素具有较大的截面。复合核在中子俘获后会产生更容易被探测到的辐射，例如α粒子，然后由探测器捕获。为此，建议使用核素³He、⁶Li、¹⁰B、²³³U、²³⁵U、²³⁷Np和²³⁹Pu。

用于中子探测的弹性散射

中子与原子核的弹性散射可能导致被撞击的原子核反弹。较轻的原子核（如氢或氦）比重原子核能从运动学上接收到更多的中子能量。快中子探测器就是那些依赖弹性散射的探测器。反冲核之间的碰撞可以电离和激发更多的原子。这会产生电荷和闪烁光，这些可以被收集以提供可探测的信号。在快速中子探测中，将这些信号与同一探测器中伽马辐射产生的假信号区分开来是一项困难的任务。尽管已经开发出一些基于无机闪烁体的探测器，可以在混合辐射场中内在选择性地探测中子，而无需任何额外的程序，但脉冲形状甄别等技术可以用于将中子信号与伽马射线信号分开。

由于不需要慢化剂，快中子探测器的好处是能够测量中子的能量、到达时间以及在某些情况下的入射方向。

中子化合物

四中子和双中子

在弗朗西斯科-米格尔·马尔克斯领导的法国国家科学研究中心核物理实验室进行的研究中，基于对铍-14核聚变的研究，推测存在四中子，即由四个中子组成的稳定团簇。这尤其令人感兴趣，因为根据目前的理论，这些团簇不应该是稳定的。

日本东京大学的下浦进及其同事于2016年2月表示，他们首次实验观测到了据称的四中子。据世界各地的核物理学家称，如果这一发现得到证实，将标志着该领域的一个重大进展，并将扩大我们对核力的认识。

另一种可能的粒子是双中子。根据密歇根州立大学的阿耳忒弥斯·斯派鲁及其同事进行的研究，¹⁶Be衰变中的双中子发射首次于2012年被发现。两个中子之间的小发射角是双中子性质的证据。利用该质量区域的典型相互作用，科学家们确定分离两个中子所需的能量为1.35(10) MeV，这与使用壳模型进行的模拟完全一致。

中子物质与中子星

在极高的压力和温度下，核子和电子会碰撞形成块状中子物质，或称中子星。据推测，这种情况发生在中子星中。中子星的巨大压力可能导致中子呈现立方对称性，从而实现更紧密的堆积。

中子的应用

中子在许多核过程中扮演着重要角色。例如，中子俘获通常会导致中子活化，从而产生放射性。我们对中子及其行为的理解尤其促进了核反应堆和核武器的开发。原子（如铀-235和钚-239）对中子的吸收会导致它们裂变。

中子散射设施通常利用冷、热和中温中子辐射，其用途类似于X射线分析凝聚态物质。在通过不同的散射截面实现的原子对比度、对磁性的敏感性、非弹性中子光谱的能量范围以及对材料的深度穿透方面，中子与X射线互补。

基于空心玻璃毛细管内全内反射或凹坑铝板反射的“中子透镜”的创造，正在推动当前中子显微镜和中子/伽马射线断层扫描的研究。

中子常用于激发和延迟某些材料组成成分的伽马射线发射。这构成了即发伽马中子活化分析（PGNAA）和中子活化分析（NAA）的基础。NAA最常用于分析核反应堆中的小样品材料，而PGNAA最常用于分析传送带上的工业散装材料和钻孔附近的地下岩石。

中子发射器的另一个用途是检测轻原子核，特别是水分子中存在的氢。快速中子在与轻原子核碰撞时会损失大部分能量。中子探头可以通过监测慢中子从氢原子反弹回探头的速度来检测土壤中的水量。

裂变和聚变中子

裂变

快中子是动能为1 MeV（1.6 × 10^-13 J）的自由中子，速度约为14000 km/s（光速的5%）。为了将其与宇宙射线阵雨或加速器中产生的高能中子和低能热中子区分开来，它们被称为裂变能中子或快中子。核裂变等核反应会产生快中子。如前所述，裂变中子的动能范围从0到14 MeV，平均能量为2 MeV（对于²³⁵U裂变中子），峰值仅为0.75 MeV，这意味着超过一半的中子不符合快中子的标准，因此几乎没有机会引发可裂变材料（如²³⁸U和²³²Th）的裂变。

慢化是将快中子转化为热中子。这通过中子慢化剂实现。反应堆中通常使用重水、轻水或石墨来慢化中子。

聚变

聚变反应速率随温度急剧上升，达到峰值后逐渐下降。D-T反应速率在较高的值和较低的温度（约70 keV，即8亿开尔文）下达到峰值，高于通常认为产生聚变能的其他过程。

D-T（氘-氚）聚变过程产生动能为14.1 MeV、以光速17%的速度移动的中子。D-T聚变也是最容易点燃的聚变过程，即使氘和氚核的动能只有14.1 MeV的千分之一，也能达到接近峰值的反应速率。

其他聚变过程中产生的中子能量要低得多。D-D聚变一半时间产生一个2.45 MeV的中子和氦-3；另一半时间产生氚、一个质子，但不产生中子。D-3He聚变不产生中子。