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技术文章

什么是中子

2016/10/20 14:17:45

中子的概念是由英国物理学家欧内斯特·卢瑟福提出,中子的存在是1932年B.查德威克用a粒子轰击的实验中证实的。
其质量为 1.6749286 ×10-27千克(939.56563兆电子伏特),比质子的质量稍大(质子的质量为1.672621637(83)×10-27千克),自旋为1/2。自由中子是不稳定的粒子,可通过弱作用衰变为质子,放出一个电子和一个反中微子,平均寿命为896秒。中子遵从费米-狄拉克分布和泡利不相容原理。以往曾经将中子列为基本粒子的一员,但现今在标准模型理论下,由两个下夸克和一个上夸克构成,所以它是个复合粒子。
中子以聚集态存在于中子星(中子星是恒星演化到末期,经由重力崩溃发生超新星爆炸之后,可能成为的少数终点之一。)中。太阳系里的中子主要存在于各种原子核中,元素的β衰变就是该元素中的中子释放一个电子变成上一个元素序列元素的一种变化。
中子可根据其速度而被分类。高能(高速)中子具电离能力,能深入穿透物质。中子是唯一一种能使其他物质具有放射性之电离辐射的物质。此过程被称为“中子激发”。“中子激发”被医疗界,学术界及工业广泛应用于生产放射性物质。
高能中子可以在空气中行进极长距离。中子辐射需要以富有氢核之物质掩蔽,例如混凝土和水。核反应堆是常见之中子放射源,以水作为有效之中子掩蔽物。
中子和其它常见的次原子粒子最大的分别在于中子因其下夸克和上夸克之电荷互相抵消,本身不带电荷。令它穿透性强,无法直接进行观察,也令它在核转变中成为非常重要的媒介物。这两项因素使得它在次原子粒子发现历史的较后期才被发现。
虽然组成物质的原子在正常情况下不带电荷,但原子比中子大一万倍,是由带负电的电子围绕带正电的原子核运行而形成的复杂系统。带电粒子(如质子,电子,或离子)和电磁波(如伽马射线)都会在穿透物质时消耗能量,形式是将所穿透物质离子化。带电粒子会因此而慢下来,电磁波则会被所穿透物质吸收。中子的情况截然不同,它只会在与原子核近距离接触时受强相互作用或弱相互作用影响:结果一个自由中子在与原子核直接碰撞前不受任何外力影响。因为原子核太小,碰撞机会极少,因此自由中子会在一段极长的距离保持不变。
自由中子和原子核的碰撞是弹性碰撞,其遵循宏观下两小球弹性碰撞时的动量法则。当被碰撞的原子核很重时,原子核只会有很小的速度;但是,若是碰撞的对象是和中子质量差不多质子,则质子和中子会以几乎相同的速度飞出。这类的碰撞将会因为制造出的离子而被侦测到。
中子的电中性让它不仅很难侦测,也很难被控制。电中性使得我们无法以电磁场来加速、减速或是束缚中子。自由中子仅对磁场有很微弱的作用(因为中子存在磁矩)。真正能有效控制中子的只有核作用力。我们唯一能控制自由中子运动的方式只是放置原子核堆在它们的运动路径上,让中子和原子核碰撞藉以吸收之。这种以中子撞击原子核的反应在核反应中扮演重要角色,也是核子武器运作的原理。自由中子则可由核衰变、核反应或高能反应等中子源产生。
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