什么是中子

2016/10/20 14:17:45

中子的概念是由英國物理學家歐內斯特·盧瑟福提出，中子的存在是1932年B.查德威克用a粒子轟擊的實驗中證實的。
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（質子的質量為1.672621637（83）×10-27千克），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-狄拉克分布和泡利不相容原理。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，所以它是個復合粒子。
中子以聚集態存在于中子星（中子星是恒星演化到末期，經由重力崩潰發生超新星爆炸之后，可能成為的少數終點之一。）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于生產放射性物質。
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，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后期才被發現。
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復雜系統。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制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。