中子

亚原子粒子

中子

中子（英文名：Neutron[0]）是亚原子粒子，[15]符号n，[2]它不带电荷，[7]静止质量略大于质子，[16]中子和质子共同构成原子核[17]。中子和质子统称为核子，两者质量相近，[18]都由三个夸克组成，其中，中子由一个上夸克和两个下夸克组成。在粒子物理的标准模型中，质子和中子都不是基本粒子，为复合粒子。[2][19][20]中子的静止质量稍大于氢原子质量，中子总体是电中性的，但其内部有电荷分布。[21]原子核内的中子是稳定的，[22]而自由中子并不稳定，自由中子会自发地转衰变并释放出能量。[21]中子不受原子电场的作用，在与原子核非常靠近前，都不会受到障碍，所以中子的穿透力很强。[23]中子基本上不会与物质中原子的电子的相互作用而损失其能量，因而具有强得多的穿透能力。中子主要是与物质中的原子核发生相互作用。[4]

中子（英文名：Neutron[1]）是亚原子粒子，[16]符号n，[3]它不带电荷，[8]静止质量略大于质子，[17]中子和质子共同构成原子核[18]。中子和质子统称为核子，两者质量相近，[19]都由三个夸克组成，其中，中子由一个上夸克和两个下夸克组成。在粒子物理的标准模型中，质子和中子都不是基本粒子，为复合粒子。[3][20][21]

中子的静止质量稍大于氢原子质量，中子总体是电中性的，但其内部有电荷分布。[22]原子核内的中子是稳定的，[23]而自由中子并不稳定，自由中子会自发地转衰变并释放出能量。[22]中子不受原子电场的作用，在与原子核非常靠近前，都不会受到障碍，所以中子的穿透力很强。[24]中子基本上不会与物质中原子的电子的相互作用而损失其能量，因而具有强得多的穿透能力。中子主要是与物质中的原子核发生相互作用。[5]

1920年，卢瑟福（Ernest Rutherford）提出了存在中性粒子的假设；[25]十年后，安巴楚勉（Ambartsumian）和伊瓦年科（Ivanenko）确认原子核中有某种中性的粒子存在；[26]瓦尔特·博特（Walther Bothe）、约里奥·居里（Jean Frédéric Joliot-Curie）则相继观测到了一种全新的有强穿透力的辐射，查德威克（James Chadwick）这种辐射进行了深入研究最终证实了卢瑟福预言的中性粒子——中子的存在。[27][28]

中子的应用比较广泛。如利用中子引发重核裂变，释放出核能，制造原子弹和发电；利用中子核反应生产放射性核素；利用中子活化反应进行微量元素分析；利用慢中子的非弹性散射和衍射，研究原子和固体物质的性质。中子测水、中子测井、中子辐照育种和中子成像等技术也在工农业中广泛应用。在医学领域开展快中子治癌和硼中子俘获治疗癌症的临床试验。[5]中子源是研究中子和应用中子必不可少的设备，中子源发射出来的中子是自由中子。[24]核能生产中，反应堆内的中子主要来源于核裂变，中子也可由其他的一些反应产生，但是数量很小。[29]中子的英文名于1921年，由美国化学家威廉·哈金斯（WilliamD.Harkins）创造。[30][3]

发现历史

1920年，卢瑟福（Ernest Rutherford）提出了存在中性粒子的假设。在他的设想中，这种中性粒子由当时已经知道的两种基本粒子（正的质子和负的电子）紧密结合而成的。他还指出，这种粒子的存在，不能通过光谱来证明，同时，也不能把这种粒子装在任何容器之內。[25]1921年，哈金斯（W.D.Harkins）创造了neutron（中子）一词，并以其为这种中性粒子命名。neutron由 neutral（形容词）+ -on 组成，[31][32]neutral源自拉丁语 neutralis，意为“中性的”。[33]早在1899年的文献中就可以找到与原子相关的中子一词。[34]

卢瑟福
卢瑟福

1928年，奥斯卡·克莱因（OskarKlein）提出了克莱因悖论，根据电子的狄拉克方程，任何能量足够高的电子撞击到一个高而陡峭的上升势垒上，都有很高的概率逃脱，电子并不能被限制在一个核势阱中。这个悖论对电子被限制在原子核内的概念提出了进一步的量子力学反对。[35]

奥斯卡·克莱因
奥斯卡·克莱因

1930年，前苏联的安巴楚勉（Ambartsumian）和伊瓦年科（Ivanenko）发现原子核不可能只由质子和电子组成；原子核中有某种中性的粒子存在。[26]同年，瓦尔特·博特（Walther Bothe）和他的学生贝克（Herbert Becker）用氦核轰击铍观察到一种强度不大但穿透力极强的射线。这种射线可以穿透2厘米厚的铅板，而且穿过去后速度并不明显减小，这种射线不受电场和磁场影响，在电场和磁场中都不发生偏转，在穿透2厘米厚的铅板之后，射线的强度只减弱13%，他们把这种射线称作是铍辐射。当时已知的α射线和β射线都没有这么强的穿透力，唯一能穿透铅板且不带电的是γ射线，因此这两位物理学家错误地认为他们发现的是高能γ射线。[27]

瓦尔特·博特
瓦尔特·博特

1932年，约里奥·居里（Jean Frédéric Joliot-Curie）夫妇重复了瓦尔特·博特的铍辐射实验，很容易也得到了与瓦尔特·博特相同的结果——铍射线。然而，约里奥·居里夫妇没有深究，把这一现象解释为γ射线对质子产生康普顿散射，最终与发现中子失之交臂。查德威克（James Chadwick）得知此消息后，联想到卢瑟福所预言的电子辐射，对铍射线的本质产生了怀疑。查德威克改进了约里奥·居里夫妇的实验装置，用钋加铍作为放射源去轰击氢、氦、氮等元素，结果发现，这种射线的性质与已知射线的性质刚好相反，密度越小的物质越容易吸收它。查德威克用这种射线去轰击氢原子，结果氢原子核被弹射出去，这说明这种射线是具有一定质量的粒子流，这种粒子流不带电，不能利用它在磁场或电场中的径迹来计算它的质量，但这种射线的速率只有光速的1/10，不可能是γ射线，他确认这种中性射线是质量很大的中性粒子。最后，查德威克通过对氢原子和氮原子的轰击，计算得出这种粒子的质量与质子的质量近乎相等，证实了卢瑟福预言的中性粒子的存在，并于1932年2月发表了题为《中子可能存在》（《PossibleExistenceofaNeutron》）的论文，论文指出，所谓铍射线的正确解释应该是中子；[27]查德威克的论文发表后的当年，海森堡和伊凡宁科最先分别独立地提出了原子核的质子-中子模型，指出原子核是由质子和中子所组成，较好地解释了原子核有关的实验事实。[36][37]查德威克因发现中子而获得了1935年的诺贝尔物理学奖。[28]

查德威克
查德威克

1934年费米（E.Fermi）建立了β衰变理论，认为衰变的本质在于原子核中的一个中子转变成质子，或者是一个质子转变成中子，而中子和质子可以看作是同一核子的两个不同的量子状态，成功地解释了实验上所观察到的β谱的形状、半衰期和能量的关系。[38]同年，费米证明了受到中子轰击的元素都会发生核转变，发现了慢中子，并通过核裂变反应产生了新元素。费米因其在中子产生的人工放射性以及慢中子引起的核反应方面的工作而获得1938年的诺贝尔物理学奖。[39]

1935年，查德威克和莫里斯·戈德哈伯（MauriceGoldhaber）首次准确测量了中子的质量。[40]1938年，哈恩（Otto Hahn） 和斯特拉斯曼（Strassmann）用放射化学的方法发现在中子束辐照铀yóu产生的放射性产物中具有钡bèi（Z=56）和铜（Z=57）的放射性同位素，认识到中子轰击铀、钍tǔ等一些重原子核可以引发原子核裂变。[41]1945年，哈恩因发现重核裂变而获得1944年的诺贝尔化学奖（在1944年的评选过程中，诺贝尔化学委员会认定，当年的提名均不符合诺贝尔（AlfredNobel）遗嘱中规定的标准。根据诺贝尔基金会的章程，在这种情况下，诺贝尔奖可以保留到下一年，故1945年才颁发）。[42]

费米
费米
哈恩
哈恩

结构

中子对外显示电中性而具有磁矩。高能电子、μ子或中微子轰击中子的散射实验显示中子内部的电荷和磁矩有一定的分布，说明中子不是点粒子，而具有一定的内部结构；[43]中子是由3个更深层次的粒子——夸克构成的[44]

半径

约为0.8×10-15m[45]

质量

中子的静止质量为1.674954×10-27kg[7]，稍大于质子静止质量，在工程计算中，通常近似地取电子的静止质量为1u[46]（u为原子质量单位1u=1.6605387×10-27kg[47]）。

电荷

中子的电荷量是其内部夸克所带电荷量的总和，即：。[3]

电偶极矩

中子内部电荷的分布可能并非对称，定量上用电偶极矩（EDM）来描述这种不对称性[11]阿贝尔（C.Abel）等人测得电偶极矩dn=（0.0±1.3）×10-26e·cm。[10]

磁矩

中子的磁矩为-1.91304301（54）μN[13]，磁矩是其内部电荷分布的结果，[48]由夸克的磁矩合成。[13]

自旋

中子的自旋等于1/2。中子是费米子，服从费米-狄拉克统计，遵守泡利不相容原理，虽然中子自旋等于1/2的证据是由实验事实与相应的理论分析组合而提出的，但是这些证据是充分而令人信服的。最主要的证据有：已知质子的自旋等于1/2，已知含有偶数核子的核的自旋为整数；含有奇数核子的核的自旋是1/2的奇数倍。因此，若中子的自旋不等于零，则必然是1/2的奇数倍，如1/2，3/2，5/2等等。[49]

电荷分布的结构和几何形状

2007年发表的一篇文章对中子的电荷密度进行了与模型无关的分析，发现中子中心的电荷密度为负，得出的结论：中子电荷密度具有长程的带负电分量。[50]电子散射实验证明，中子是由带正电的内核和带负电的外壳构成，按经典模型处理，自旋着的中子就有磁矩而且其磁矩的方向和自旋的方向相反；中子与质子间的作用力主要是核力，而核力与其带电状况无关。[51]

质子和中子的大部分性质都十分相似，差别最大的是电荷，质子和中子内部电荷密度ρ（r）的空间分布如图所示：[52]

质子和中子的电荷分布图（横坐标为距粒子中心的距离）
质子和中子的电荷分布图（横坐标为距粒子中心的距离）

中子有两个分层的总量相同、符号相反的电荷分布，近核区为正电荷，核表面却是负电荷区。通过对质子磁矩及中子磁矩的测定分析可得出，质子的电荷并不是均匀分布的，而中子内部的电荷分布比质子更为复杂。[52]

衰变

核稳定性和β衰变

中子由三个夸克构成。根据标准模型，为了保持重子数守恒，中子唯一可能的衰变途径是其中一个夸克通过弱相互作用改变。组成中子的三个夸克中，两个是下夸克（电荷-1/3e），另外一个是上夸克（电荷+2/3e），一个下夸克可以衰变成一个较轻的上夸克并释放出一个w玻色子。这样中子可以衰变成质子，同时释放出一个电子和一个反电子中微子。[53]这种放射出电子的衰变称为β衰变，在中子的β衰变过程中，夸克的组成从udd（中子）变成了uud（质子），这种夸克组成的变化可以用费曼图来表示：[54]

中子β衰变的费曼图
中子β衰变的费曼图

自由中子的衰变

自由中子不稳定，其半衰期为（10.61±0.16）min，[22]一个自由中子可自发衰变为一个质子、一个电子、一个反中微子，衰变过程中释放能量0.782MeV，衰变前后的总质量差约为中子静止能量的0.08%。[55]有千分之一的自由中子会在生成质子、电子和中微子的同时，释放出γ射线；有极少量的自由中子（大概百万分之四）会发生所谓的双体衰变。在此反应中，电子在产生后未能获得足够的能量脱离质子（估计为13.6电子伏特），于是和质子生成一个中性的氢原子。[56]

束缚态中子的衰变

中子与质子结合在一起形成的原子核内的中子即为束缚态中子，[57]大部分不稳定核的主要衰变模式是β衰变。[58]但中子衰变的逆过程也可以发生，即逆β衰变，质子吸收一个反中微子转变为中子并放出一个正电子。质子可以转变为一个中子，同时放出一个正电子和一个电子中微子；质子还可以通过电子俘获转变成一个中子，同时放出一个中微子。有些原子核会自发地发出正电子，正电子的性质和电子的性质完全一样，只是所带的电荷不是-e而是+e，正电子发射相过程中一个核内质子转变成一个中子、一个正电子和一个中微子，电子俘获是和正电子发射相竞争的，因为这两种过程都导致同样的核转化，在重元素中，电子俘获比正电子发射更常出现，因为在这种元素中电子轨道的半径更小，电子靠得愈近，和原子核发生作用的机会就愈大，由于在自然界发现的不稳定的原子核差不多都是原子序数[注2]很高的原子核。[59]

产生和来源

中子的产生和来源主要有自然中子本底、放射性同位素中子源、加速器中子源和反应堆中子源。[60][61][62]

自然中子本底主要是由宇宙射线与大气、地面和大质量物体（如建筑物、船舶上层建筑和货物）的相互作用（这种现象被称为“船舶效应”，因为它首先是在大型船舶的中子信号中观察到的）产生。它的能量峰值约为1兆电子伏，并在此之上迅速下降。在海平面上，宇宙射线中子的平均产量约为每秒每公斤物质产生20个中子。这导致中子通量为100-300中子/m2/s。平均中子本底随地磁纬度而变化，在45度以上最高，在赤道处下降到最低点。它也随太阳活动而变化，在太阳极小期，当太阳磁场的屏蔽作用最低时，它大约是太阳极小期的两倍。在太阳耀斑期间，由于大气与耀斑发射的高能带电粒子的相互作用，高纬度地区的中子本底急剧增加。在使用中子探测器时，必须考虑到这种可变性。[60]

放射性同位素中子源是利用放射性核素衰变时放出一定能量的粒子，去轰击靶物质，发生核反应而放出中子的装置。由于放射性同位素发出的射线的种类不同，又可分为两类：一类是利用某些放射性核素发射的a粒子或y射线去轰击靶物质来产生中子，包括α放射性中子源；光中子源；另一类是利用一些元素的自发裂变产生中子，为自发裂变中子源。放射性同位素中子源的优点是体积小、发射中子基本上是各向同性的、制备比较简单；已知强度随时间的变化规律，可作为标准源。缺点是中子不是单能的；一般均伴生γ射线；强度不及反应堆或加速器中子源。[61]

加速器中子源是用人工方法使带电粒子获得较高能量的装置。由各类中子发生器产生的质子、氘dāo核、α粒子等去轰击靶核引起发射中子的核反应，就构成加速器中子源。反应堆中子源是利用铀、钚bù等裂变物质为燃料，以中子为媒介，维持可控制的链式反应不断产生大量中子的装置。[62]

中子的分类

热中子热中子是慢化至周围介质原子热运动能量，或与周围介质原子达到热平衡状态的中子群，其速度分布近似为麦克斯韦分布，[63]每个中子的热能约为0.025电子伏特，该能量相当于每秒约2000米的中子速度和约2×10-10米（或约两埃）的中子波长。热中子具有速度相对较慢且能量较低、俘获截面大等特性，这使得它们在某些链式反应应用中非常理想。此外，热中子的长德布罗意波长使其对于中子光学的某些应用很有价值。热中子是通过在裂变等核反应期间从原子核中喷出的高能中子在称为慢化剂的物质中减速而产生的[64]
冷中子把热中子冷却到极低温度即得到冷中子，比如液氢或液氘。这样的冷中子源一般放置在研究反应堆或散裂中子源的减速剂里。冷中子源对于中子散射试验非常重要。冷中子的能量约5x10−5eV至0.025eV之间[65]
超冷中子冷中子通过与温度只有几K的物质（比如固体氘或者超流体液氦）发生非弹性散射后可以得到超冷中子。其能量小于3x10−7电子伏特[65]
快中子快中子是在核裂变反应中产生的自由中子，其动能可以达到1MeV（1.6×10-2J，对应的速度约为14000km/s，相当于光速的5%）[65]
聚变中子氘-氚chuān聚变反应产生能量较高的中子，动能为14.1MeV，对应的速度相当于光速的17%。这些中子是快中子能量的近10倍[65]
中能中子能量介于快中子和热中子之间的中子称为中能中子。这种中子的能量在1eV至10eV之间[65]
高能中子高能中子是加速器轰击靶子或高能宇宙射线轰击大气层所产生的次生粒子，其能量比快中子高得多，有的高能中子可以拥有数十焦耳的动能。它们具有极强的电离性能，比X射线和质子更能造成细胞的损伤和死亡[65]

中子粒

中子粒是一种纯粹由中子组成的假想物质。中子粒这个词由科学家安德烈亚斯·冯·安特罗波夫（ AndreasvonAntropoff ）在1926年（1932年发现中子之前）创造，用于描述他置于元素周期表首位的假设“原子序数为零的元素”（其原子核中具有零个质子）[66][67]

四中子团簇

2002年，法国国家科学研究中心核物理实验室的弗朗西斯科-米高儿·马科斯（Francisco-MiguelMarqués）带领的研究团队提出了一种基于高中子含量的原子核束的分裂和反冲质子的产生和检测多中子团簇的新方法。[68]2016年，日本东京大学物理学者下浦享（SusumuSHIMOURA）等发表论文称，他们首次在实验中观测到了四中子稳定核的存在。[69]

中子星

中子星是一种主要由中子组成的星体，它是一种具有极端物理条件的天体，其平均密度与原子核密度相当，约为，远远高于我们平常所见的普通物质密度（对比一下，铁的密度仅为7.9g/cm3）。一茶匙的中子星物质比整个珠穆朗玛峰还要重。[70]在中子星的巨大引力场中，那茶匙物质的重量为，是月球放在地球表面的15倍，从内壳到中心的压力从增加到。[71]中子星是除黑洞外密度最大的星体，一颗典型的中子星质量介于太阳质量的1.35到2.1倍，半径则在10至20公里之间（质量越大半径收缩得越小），也就是太阳半径的30，000至70，000分之一。[72]

反中子

宇宙中存在着两种对立的物质，即（正）物质和反物质，反物质由反粒子构成，[73]中子对应的反粒子正是反中子。[74]一个反中子由一个反上夸克和两个反下夸克组成，[75]反中子的质量、自旋、电荷量、寿命与中子相同，[76]其与中子的区别在于磁矩方向；反中子的磁矩方向与自旋重合。反中子最重要的性质是它与核子的核相互作用，与反质子一样，反中子在与核子相遇时会湮没并释放出能量，这些能量消耗在π介子或（较小概率）K介子和（更小概率）γ量子的产生，这种湮没特性导致了反中子的发现。[77]

军事

军事上可利用核反应产生的大量高能中子增强辐射杀伤效应制造中子弹，中子弹又称增强辐射弹或弱冲击波强辐射弹。[78]中子弹的杀伤特点与一般的原子弹、氢弹的冲击波，光辐射，早期核辐射，放射性沾染和电磁脉冲5种破坏杀伤效应程度有所不同，它是一种大大增强核辐射杀伤效应而减弱冲击波和光辐射作用的核武器。[79]中子弹是在小型氢弹基础上发展面成的，但在结构上与氢弹又有许多区别，比如：中子弹和氢弹都是用原子弹做引爆装置，但中子弹尽量减少裂变材料作为中子弹引爆装置的原子弹，其当量越小越好，最好才几百吨当量。中子弹中的热核材料不用氘化锂，而是用氘和氚。在当量相同的情况下，氘和氚放出的中子能量大，穿透力强，对人体的杀伤效应也大，在中子数相同的情况下，剂量相差3倍以上。[78]

中子弹爆炸效果图
中子弹爆炸效果图

医疗

医疗上可将中子用于放射治疗，中子射线虽然和光子射线一样，本身不带电荷，因而具有很强的穿透能力，但中子有比光子高很多的治疗效率。因为中子没有电荷，所以在与物质相互作用过程中没有直接的电离、激发过程，它的作用主要是中子核反应。临床使用的主要为快中子外照射治疗，快中子束在治疗肿瘤方面有比光子优越的放射生物学特点：它对细胞的氧增比小，在常用能量范围内的氧增比约等于1.5~1.7，相对生物效应高，约等于3.0~8.0，杀伤力大；而且，快中子对细胞的杀伤无周期特异性，放射敏感性随肿瘤细胞周期的变化小。因此，快中子对恶性肿瘤中的乏氧细胞有较强的杀伤能力，使肿瘤细胞增殖能力及亚致死损伤修复能力变得很小。[80]

放射治疗
放射治疗

工业

核反应

反应堆内的中子核反应主要包括中子散射和中子吸收。中子散射是使中子慢化的主要核反应过程，包括非弹性散射和弹性散射两种。在非弹性散射过程中，入射中子的一部分（通常为大部分）动能将转变为靶核的内能，使靶核处于激发态，然后通过发射γ射线返回基态，非弹性散射的过程要求人射中子的能量至少高于靶核的第一激发态能量，且具有阈能的特点。弹性散射可进一步分为共振弹性散射和势散射。共振弹性散射需经过复合核过程，势散射则不需要。在热中子反应堆内，中子从高能慢化到低能起主要作用的就是弹性散射中子吸收最终结果是中子的消失。[81]

中子发射器

利用中子管等中子发生器，可制造中子发射器，[82]中子管又称为密封中子发生器，它是一种小型加速器中子源；其主要特点是离子源、加速系统及耙等全部密封在一个小型的玻璃管内，具有很强的实用性。中子管有一定的使用寿命。中子管的中子产额一般比中子发生器要低。[83]中子发射器可用于实验室设备及石油测井的设备中。[84][85]

中子成像

中子成像是研究微观样品和物体的技术，利用中子束直接穿透物质，穿透后的中子被一个二维的中子探测器所记录以产生一个物体的“中子阴影影像”，中子成像技术得到的像和通常X射线影像的结果相似，两种技术的差别在于相互作用的机理不同：中子是和原子核相互作用，x射线是和电子壳层相互作用，和X射线相互作用的概率是和壳层中的电子数有关，也就是和原子序数有关，这种情况对于中子是完全不同，轻元素如锂和硼能很好地阻止中子，但对于X射线它是不同程度透明的。相反地重物质如铅、泌或者铀，中子是相对透明的，但对于X射线是不透明的。基于不同辐射的不同性质，两者是彼此互补的，可根据研究的对象选择合适的成像方法。[86]

中子成像系统
中子成像系统

中子测井

中子测井是利用中子与物质相互作用的各种效应来研究钻井剖面岩层性质的一组测井方法的统称，进行中子测井时，把装有中子源和探测器的下井仪器由电缆放入井中，从中子源中发出的高能中子射入井内和地层中，高能中子与物质的原子核可能发生作用而减弱为低能中子或被原子核吸收，探测器记录的低能中子数量或核反应与放射性俘获放出的γ射线强度和能量，是和地层的减速性质以及吸收性质有关，因为氢是最特殊的减速物质，所以中子测井结果可以反映地层的含氢量。在含油或含水的纯地层中，孔隙被含氢的水或油所充满，因此含氢量的多少将反映地层孔隙度的大小，所以中子测井是一种孔隙度测井方法。气层和油层或水层的含氢量差别非常明显，所以中子测井也是划分气层的主要方法。氯是重要的中子吸收物质，同时氯又是大多数地层水中的主要离子成分，所以中子测井在一定条件下对于划分油水层也有重要作用。[88]

农业

中子辐照育种

中子辐射育种用中子射线照射植物的种子、植株，或其他部位、器官，使其发生遗传性的根本变异，通过人工选择和培育而育成新品种。中子在生物体中有很好的穿透能力，这和γ射线比较相似，中子辐射育种不论在诱变频率方面或变异幅度方面，都大大超过传统的育种方法。[89]

中子测水

中子测水是一种不破坏土壤结构，并能迅速测量土壤水分的方法。在中子源附近用热中子探测器测量热中子数（计数率），经过标定后即对一系列含水量为已知的标准样品进行测量标定，可直接测定土壤的水份含量。中子测水实质上就是中子测氢，氢的含量反应了水份含量。土壤或其他类型试样中除含有自由水外，还含有结合水与有机化合物，它们也含有氢核，因此会增加热中子的计数率。[90]

研究进展

2020年，卡尔文·W·约翰逊（ Calvin W. Johnson）用核极端竞争理论解释了中子滴线（中子滴线是指各化学元素的原子核所能容纳的最大中子数）的形成机制。[91]

2021年，加州理工学院的研究团队对中子寿命进行了有史以来最精确的测量，测得中子寿命为14.629 分钟，误差为 0.005 分钟，结果的计算精度大于百万分之400，是迄今为止最精确的结果。[92]

2021年，杰斐逊实验室（Jefferson Lab）的研究人员用高能电子轰击氘靶，重建电子散射的核子内夸克的分布，发现当与相关中子的空间重叠引起两个粒子之间强烈的短程相互作用时，质子的内部结构会发生变化。[93]

2022年，杜尔（M. Duer）、格恩豪瑟（ R. Gernhäuser）等人借助基于放射性高能8He束大动量转移的敲除反应进行实验，在四中子系统的阈值附近观察到了类共振结构，该结构与存在很短时间的准束缚四中子态一致。[94]

2023年，中国科学院核能安全技术研究所的研究团队研究建成了强流氘氚聚变中子源，用加速后的氘离子轰击氚靶产生了能量为14.1MeV的聚变中子，可以用于模拟未来聚变堆内的中子环境，开展氚增殖、能量提取、材料活化与损伤、辐射防护等聚变能技术相关科学实验。[95]

中子探测

中子探测是对中子的数目和能量的测量。在原子能的各个领域中，如核能的利用、放射性同位素的产生和应用、原子核物理的研究等，都要进行中子的探测。中子本身不带电，中子的探测并不是直接记录中子，而是通过中子同原子核的相互作用产生带电粒子，再对带电粒子进行测量。[96]

核反应法

核反应法是通过测量中子引起的核反应放出的带电粒子来实现中子的测量，使用重粒子探测器，这种方法可以通过测量带电粒子的强度来探测慢中子的强度（通量）；还可以根据带电粒子的射程或电离损失，测量其总动能，减去反应能后求出入射快中子的初能。[97]这种方法主要应用于探测慢中子的强度，也可用于测量快中子能谱；中子引起核反应的数目正比于中子流强度和反应截面，因此观察核反应所致带电粒子数也就能求得中子流的强度。[98]

核反冲法

当中子与原子核发生弹性散射后，原子核获得一定的动能，成为反冲核，并带有电荷，可视为重带电粒子，被重离子探测器探测到。反应前后系统动能、动量守恒，反冲核的能量与核质量、散射角和中子初始能量有关，且在一定范围内均匀分布，因此在确定的条件下，反冲核数与入射的中个数成正比，通过反冲核通量的测量可以确定中子通量；通过测量相对于中子方向的某一狭窄角度范围内飞出的反冲核的能量分布，就能反推中子能谱。[97]

核裂变法

核裂变法是利用中子与重核发生俘获反应，使重核发生裂变产生裂变碎片，通过测量裂变碎片来测量中子。慢中子和快中子都能使重核发生裂变，重核发生裂变时，每次裂变反应会放出150-170MeV的能量，生成两块质量相近的裂变碎片，每块裂变碎片的能量达到40-10MeV。因此该方法可用于探测各种能量的中子。裂变法最大的优点是可通过信号幅度甄別排除其他射线的干扰。[99]

活化法

活化法基于中子激活而探测中子。中子被稳定的原子核吸收后会形成放射性原子核。这种现象称为“活化”或“激活”，通过测量被活化的原子核发射的粒子便能知道中子的注量率，达到探测中子的目的。活化法探测中子的最大特点是只能测定中子束流的积分效应，而不能探测单次中子俘获事件。基于活化法的中子探测器主要用于高中子注量率、并伴有强γ辐射的场合下进行中子探测，如反应堆堆芯中子注量率的测定。[99]

中子辐射

中子辐射由自由中子所组成，[100]中子不带电，其质量与质子几乎相等，穿透能力强，能使其他物质具有放射性。[101]

中子与其他物质的相互作用类型有三种：[102]

弹性散射，遵循宏观下两小球碰撞时的动量法则，中子可失去一部分动量。因此，如果碰撞目标的质量很大（如重原子核），那么中子将以原速率反弹。如果碰撞目标与其质量相近（如氢核），那么中子几乎可以完全停下来，动量也几乎完全传给碰撞目标（在电磁力作用下迅速减速）。[102]

非弹性散射，中子被其他原子核吸收成为一个复合核，短时间内又发出一个较低动能的中子，原子核进入激发态，随后发射多个γ光子。[102]

中子俘获，能量较低的中子被原子吸收后进入激发态，随后以辐射γ光子，或α粒子、β粒子、质子（p）等形式回到基态。镉、硼10的中子俘获能力强，所以在好奇号火星车上，在设计3He管探测器的时候，其中之一覆盖了镉，用于阻挡能量小于0.4eV的热中子。[102]

中子与细胞发生相互作用，只是细胞中的分子发生电离或激发，可直接作用于DNA，RNA生物大分子，致使这些分子的链发生断裂，细胞成分遭到破坏，另一方面，由于机体中存在大量的水分子，中子与水分子作用的几率较大，水分子受中子作用可以产生多种化学性质非常活泼的自由基（H2O2，HO2等），这些自由基能进一步与水分子作用，同样使机体受到损伤。由于中子不是直接电离粒子，主要通过与介质作用后产生次级带电粒子，其对受辐射物质的电离密度大，造成的各种病理损伤严重。[103]

屏蔽过程

中子能量高时，应以非弹性散射为主，应该先用重元素快速消耗快中子的能量。对于几MeV以上的中子，可用含重核或者中重核的材料，通过非弹性碰撞使其能量迅速降低。[103]

中子能量中等时，应以弹性散射为主，应将中子慢化为热中子，[103]最有效的中子慢化材料是低原子序数的元素，所以含氢材料是绝大多数屏蔽材料的主要成分。常用的材料有水、石蜡、混凝土、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酯zhǐ等。[104]

中子能量低时，应以中子俘获为主，[103]应该用用含锂或含硼的材料（如硼酸等）使中子能量因原子核反应转换成带电粒子的能量并吸收中子。由于中子防护必然有次生γ射线辐射，因此在外层还需要使用铅等重金属屏蔽y射线。混凝土中同时含有高原子序数的金属元素和含氢丰富的水，适合屏蔽中子和 γ 射线，而且价格便宜，比较坚固，在中子防护中得到广泛应用。[105]

防护设备

中子辐射防护服主要由防中子辐射纤维制成，防中子辐射纤维作为一种特种合成纤维，对中子流具有突出抗辐射性能，其在高能辐射下仍能保持较好的机械性能和电气性能，并具有良好的耐高温和抗燃性能从而将快速中子减速和慢速（热）中子吸收。中子辐射防护服已广泛用于核原料提炼厂、石油测井仪器校准室、核反应堆厂房、泛新型坦克的核防护、战车乘员和防化兵指战员的中子防护、公路中子测量现场、中子刀治疗室医务人员和患者防护及国防舰船修造工作人员防护等。[106]

中子辐射防护服
中子辐射防护服

参考资料 106

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注释

  1. 按照理论预言，中子的电偶极矩应在10-33～10-34e·cm范围内。80年代测得中子电偶极矩值分别为
    dn=-（1.41±0.6）×10-21e·cm
    dn=-（0.6±0.4）×10-21e·cm[9]
    2020年，阿贝尔（C.Abel）等人测得dn=（0.0±1.3）×10-26e·cm[10][11]
  2. 原子中的质子数目称为对应元素的原子序数。[19]
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