中子（英文名：Neutron）是亞原子粒子，符號n，它不帶電荷，靜止質(zhì)量略大于質(zhì)子（約為 939.565 MeV/c2），中子和質(zhì)子共同構(gòu)成原子核。中子和質(zhì)子統(tǒng)稱為核子，兩者質(zhì)量相近，都由三個夸克組成，其中，中子由一個上夸克（u）和兩個下夸克（d）組成，總電荷為0。在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，質(zhì)子和中子都不是基本粒子，為復(fù)合粒子。
中子的靜止質(zhì)量稍大于氫原子質(zhì)量，中子總體是電中性的，在電磁相互作用中表現(xiàn)為中性，但中子具有非零磁矩，這表明中子的內(nèi)部有不均勻的電荷分布。原子核內(nèi)的中子是穩(wěn)定的，而自由中子并不穩(wěn)定，自由中子會自發(fā)衰變并釋放出能量。中子因電中性不受原子電場的作用，能夠輕易穿透原子外圍的電子云，在與原子核非常靠近前，都不會受到障礙，所以中子的穿透力很強(qiáng)。中子基本上不會與物質(zhì)中原子的電子的相互作用而損失其能量，因而具有強(qiáng)得多的穿透能力。中子主要是與物質(zhì)中的原子核發(fā)生相互作用，是核裂變、核聚變以及放射性同位素生成等過程的關(guān)鍵誘發(fā)粒子。
1920年，歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）提出了存在中性粒子的假設(shè)；十年后，安巴楚勉（Ambartsumian）和伊瓦年科（Ivanenko）確認(rèn)原子核中有某種中性的粒子存在；瓦爾特·博特（Walther Bothe）、讓·約里奧－居里（Jean Frédéric Joliot-Curie）則相繼觀測到了一種全新的有強(qiáng)穿透力的輻射，1932年，詹姆斯·查德威克（James Chadwick）做了用α粒子轟擊鈹?shù)膶?shí)驗(yàn)，對這種輻射進(jìn)行了深入研究最終證實(shí)了歐內(nèi)斯特·盧瑟福預(yù)言的中性粒子——中子的存在。
中子的應(yīng)用比較廣泛，如利用中子引發(fā)重核裂變、核聚變，釋放出核能，制造原子彈和發(fā)電，還廣泛應(yīng)用于中子探測與中子散射等領(lǐng)域。利用中子核反應(yīng)生產(chǎn)放射性核素（這一過程是產(chǎn)生放射性同位素的重要手段）；利用中子活化反應(yīng)進(jìn)行微量元素分析；利用慢中子的非彈性散射和衍射，研究原子和固體物質(zhì)的性質(zhì)；在恒星核合成中（如s過程）發(fā)揮作用。中子測水、中子測井、中子輻照育種和中子成像等技術(shù)也在工農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開展快中子治癌和硼中子俘獲治療癌癥的臨床試驗(yàn)。中子源是研究中子和應(yīng)用中子必不可少的設(shè)備，中子源發(fā)射出來的中子是自由中子。核能生產(chǎn)中，反應(yīng)堆內(nèi)的中子主要來源于核裂變，中子也可由其他的一些反應(yīng)產(chǎn)生，但是數(shù)量很小。中子的英文名于1921年，由美國化學(xué)家威廉·哈金斯（WilliamD.Harkins）創(chuàng)造。
發(fā)現(xiàn)歷史
1920年，歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）提出了存在中性粒子的假設(shè)。在他的設(shè)想中，這種中性粒子由當(dāng)時(shí)已經(jīng)知道的兩種基本粒子（正的質(zhì)子和負(fù)的電子）緊密結(jié)合而成的。他還指出，這種粒子的存在，不能通過光譜來證明，同時(shí)，也不能把這種粒子裝在任何容器之內(nèi)。1921年，哈金斯（W.D.Harkins）創(chuàng)造了neutron（中子）一詞，并以其為這種中性粒子命名。neutron由?neutral（形容詞）+?-on?組成，neutral源自拉丁語?neutralis，意為“中性的”。早在1899年的文獻(xiàn)中就可以找到與原子相關(guān)的中子一詞。
1928年，奧斯卡·克萊因（OskarKlein）提出了克萊因悖論，根據(jù)電子的狄拉克方程，任何能量足夠高的電子撞擊到一個高而陡峭的上升勢壘上，都有很高的概率逃脫，電子并不能被限制在一個核勢阱中。這個悖論對電子被限制在原子核內(nèi)的概念提出了進(jìn)一步的量子力學(xué)反對。
1930年，蘇聯(lián)的安巴楚勉（Ambartsumian）和伊瓦年科（Ivanenko）發(fā)現(xiàn)原子核不可能只由質(zhì)子和電子組成；原子核中有某種中性的粒子存在。同年，瓦爾特·博特（Walther Bothe）和他的學(xué)生貝克（Herbert Becker）用氦核轟擊鈹觀察到一種強(qiáng)度不大但穿透力極強(qiáng)的射線。這種射線可以穿透2厘米厚的鉛板，而且穿過去后速度并不明顯減小，這種射線不受電場和磁場影響，在電場和磁場中都不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在穿透2厘米厚的鉛板之后，射線的強(qiáng)度只減弱13%，他們把這種射線稱作是鈹輻射。當(dāng)時(shí)已知的α射線和β射線都沒有這么強(qiáng)的穿透力，唯一能穿透鉛板且不帶電的是γ射線，因此這兩位物理學(xué)家錯誤地認(rèn)為他們發(fā)現(xiàn)的是高能γ射線。
1932年，讓·約里奧－居里（Jean Frédéric Joliot-Curie）夫婦重復(fù)了瓦爾特·博特的鈹輻射實(shí)驗(yàn)，很容易也得到了與瓦爾特·博特相同的結(jié)果——鈹射線。然而，約里奧居里夫婦沒有深究，把這一現(xiàn)象解釋為γ射線對質(zhì)子產(chǎn)生康普頓散射，最終與發(fā)現(xiàn)中子失之交臂。詹姆斯·查德威克（James Chadwick）得知此消息后，聯(lián)想到歐內(nèi)斯特·盧瑟福所預(yù)言的電子輻射，對鈹射線的本質(zhì)產(chǎn)生了懷疑。查德威克改進(jìn)了約里奧·居里夫婦的實(shí)驗(yàn)裝置，用釙加鈹作為放射源去轟擊氫、氦、氮等元素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種射線的性質(zhì)與已知射線的性質(zhì)剛好相反，密度越小的物質(zhì)越容易吸收它。查德威克用這種射線去轟擊氫原子，結(jié)果氫原子核被彈射出去，這說明這種射線是具有一定質(zhì)量的粒子流，這種粒子流不帶電，不能利用它在磁場或電場中的徑跡來計(jì)算它的質(zhì)量，但這種射線的速率只有光速的1/10，不可能是γ射線，他確認(rèn)這種中性射線是質(zhì)量很大的中性粒子。最后，詹姆斯·查德威克通過對氫原子和氮的轟擊，計(jì)算得出這種粒子的質(zhì)量與質(zhì)子的質(zhì)量近乎相等，證實(shí)了歐內(nèi)斯特·盧瑟福預(yù)言的中性粒子的存在，并于1932年2月發(fā)表了題為《中子可能存在》（《PossibleExistenceofaNeutron》）的論文，論文指出，所謂鈹射線的正確解釋應(yīng)該是中子；查德威克的論文發(fā)表后的當(dāng)年，海森伯格和伊凡寧科最先分別獨(dú)立地提出了原子核的質(zhì)子-中子模型，指出原子核是由質(zhì)子和中子所組成，較好地解釋了原子核有關(guān)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。詹姆斯·查德威克因發(fā)現(xiàn)中子而獲得了1935年的諾貝爾物理學(xué)獎。
1934年恩里科·費(fèi)米（E.Fermi）建立了β衰變理論，認(rèn)為衰變的本質(zhì)在于原子核中的一個中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子，或者是一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，而中子和質(zhì)子可以看作是同一核子的兩個不同的量子狀態(tài)，成功地解釋了實(shí)驗(yàn)上所觀察到的β譜的形狀、半衰期和能量的關(guān)系。同年，費(fèi)米證明了受到中子轟擊的元素都會發(fā)生核轉(zhuǎn)變，發(fā)現(xiàn)了慢中子，并通過核裂變反應(yīng)產(chǎn)生了新元素。費(fèi)米因其在中子產(chǎn)生的人工放射性以及慢中子引起的核反應(yīng)方面的工作而獲得1938年的諾貝爾物理學(xué)獎。
1935年，詹姆斯·查德威克和莫里斯·戈德哈伯（MauriceGoldhaber）首次準(zhǔn)確測量了中子的質(zhì)量。1938年，哈恩（Otto Hahn）?和斯特拉斯曼（Strassmann）用放射化學(xué)的方法發(fā)現(xiàn)在中子束輻照鈾[yóu]產(chǎn)生的放射性產(chǎn)物中具有鋇[bèi]（Z=56）和銅（Z=57）的放射性同位素，認(rèn)識到中子轟擊鈾、釷[tǔ]等一些重原子核可以引發(fā)原子核裂變。1945年，哈恩因發(fā)現(xiàn)重核裂變而獲得1944年的諾貝爾化學(xué)獎（在1944年的評選過程中，諾貝爾化學(xué)委員會認(rèn)定，當(dāng)年的提名均不符合諾貝爾（AlfredNobel）遺囑中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)諾貝爾基金會的章程，在這種情況下，諾貝爾獎可以保留到下一年，故1945年才頒發(fā)）。
性質(zhì)
結(jié)構(gòu)
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(shí)驗(yàn)顯示中子內(nèi)部的電荷和磁矩有一定的分布，說明中子不是點(diǎn)粒子，而具有一定的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；中子是由3個更深層次的粒子——夸克構(gòu)成的，通過交換名為膠子（gluon）的媒介粒子，被強(qiáng)相互作用牢固地束縛在一起。
半徑
約為0.8×10-15m
質(zhì)量
中子的靜止質(zhì)量為1.674954×10-27kg，稍大于質(zhì)子靜止質(zhì)量，在工程計(jì)算中，通常近似地取電子的靜止質(zhì)量為1u（u為原子質(zhì)量單位1u=1.6605387×10-27kg）。
電荷
中子的電荷量是其內(nèi)部夸克所帶電荷量的總和，即：。
電偶極矩
中子內(nèi)部電荷的分布可能并非對稱，定量上用電偶極矩（EDM）來描述這種不對稱性阿貝爾（C.Abel）等人測得電偶極矩dn=（0.0±1.3）×10-26e·cm。
磁矩
中子的磁矩為-1.91304301（54）μN(yùn)，磁矩是其內(nèi)部電荷分布的結(jié)果，由夸克的磁矩合成。
自旋
中子的自旋等于1/2。中子是費(fèi)米子，服從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，遵守泡利不相容原理，雖然中子自旋等于1/2的證據(jù)是由實(shí)驗(yàn)事實(shí)與相應(yīng)的理論分析組合而提出的，但是這些證據(jù)是充分而令人信服的。最主要的證據(jù)有：已知質(zhì)子的自旋等于1/2，已知含有偶數(shù)核子的核的自旋為整數(shù)；含有奇數(shù)核子的核的自旋是1/2的奇數(shù)倍。因此，若中子的自旋不等于零，則必然是1/2的奇數(shù)倍，如1/2，3/2，5/2等等。
電荷分布的結(jié)構(gòu)和幾何形狀
2007年發(fā)表的一篇文章對中子的電荷密度進(jìn)行了與模型無關(guān)的分析，發(fā)現(xiàn)中子中心的電荷密度為負(fù)，得出的結(jié)論：中子電荷密度具有長程的帶負(fù)電分量。電子散射實(shí)驗(yàn)證明，中子是由帶正電的內(nèi)核和帶負(fù)電的外殼構(gòu)成，按經(jīng)典模型處理，自旋著的中子就有磁矩而且其磁矩的方向和自旋的方向相反；中子與質(zhì)子間的作用力主要是核力（即強(qiáng)核力），中子通過這種核力將自身與帶正電的質(zhì)子牢固地束縛在一起，而核力與其帶電狀況無關(guān)。這種力是夸克之間更深層次強(qiáng)相互作用的殘余表現(xiàn)，盡管其作用范圍極短，但強(qiáng)度足以壓倒質(zhì)子間的靜電排斥，從而維系了原子核的穩(wěn)定。
質(zhì)子和中子的大部分性質(zhì)都十分相似，差別最大的是電荷，質(zhì)子和中子內(nèi)部電荷密度ρ（r）的空間分布如圖所示：
中子有兩個分層的總量相同、符號相反的電荷分布，近核區(qū)為正電荷，核表面卻是負(fù)電荷區(qū)。通過對質(zhì)子磁矩及中子磁矩的測定分析可得出，質(zhì)子的電荷并不是均勻分布的，而中子內(nèi)部的電荷分布比質(zhì)子更為復(fù)雜。
衰變
核穩(wěn)定性和β衰變
中子由三個夸克構(gòu)成。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，為了保持重子數(shù)守恒，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。組成中子的三個夸克中，兩個是下夸克（電荷-1/3e），另外一個是上夸克（電荷+2/3e），一個下夸克可以衰變成一個較輕的上夸克并釋放出一個w玻色子。這樣中子可以衰變成質(zhì)子，同時(shí)釋放出一個電子和一個反電子中微子。這種放射出電子的衰變稱為β衰變，在中子的β衰變過程中，夸克的組成從udd（中子）變成了uud（質(zhì)子），這種夸克組成的變化可以用費(fèi)曼圖來表示：
自由中子的衰變
自由中子不穩(wěn)定，其半衰期為（10.61±0.16）min，一個自由中子可自發(fā)衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子、一個電子、一個反中微子，衰變過程中釋放能量0.782MeV，衰變前后的總質(zhì)量差約為中子靜止能量的0.08%。有千分之一的自由中子會在生成質(zhì)子、電子和中微子的同時(shí)，釋放出γ射線；有極少量的自由中子（大概百萬分之四）會發(fā)生所謂的雙體衰變。在此反應(yīng)中，電子在產(chǎn)生后未能獲得足夠的能量脫離質(zhì)子（估計(jì)為13.6電子伏特），于是和質(zhì)子生成一個中性的氫原子。
束縛態(tài)中子的衰變
中子與質(zhì)子結(jié)合在一起形成的原子核內(nèi)的中子即為束縛態(tài)中子，大部分不穩(wěn)定核的主要衰變模式是β衰變。但中子衰變的逆過程也可以發(fā)生，即逆β衰變，質(zhì)子吸收一個反中微子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶硬⒎懦鲆粋€正電子。質(zhì)子可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子，同時(shí)放出一個正電子和一個電子中微子；質(zhì)子還可以通過電子俘獲轉(zhuǎn)變成一個中子，同時(shí)放出一個中微子。有些原子核會自發(fā)地發(fā)出正電子，正電子的性質(zhì)和電子的性質(zhì)完全一樣，只是所帶的電荷不是-e而是+e，正電子發(fā)射相過程中一個核內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個中子、一個正電子和一個中微子，電子俘獲是和正電子發(fā)射相競爭的，因?yàn)檫@兩種過程都導(dǎo)致同樣的核轉(zhuǎn)化，在重元素中，電子俘獲比正電子發(fā)射更常出現(xiàn)，因?yàn)樵谶@種元素中電子軌道的半徑更小，電子靠得愈近，和原子核發(fā)生作用的機(jī)會就愈大，由于在自然界發(fā)現(xiàn)的不穩(wěn)定的原子核差不多都是原子序數(shù)很高的原子核。
產(chǎn)生和來源
中子的產(chǎn)生和來源主要有自然中子本底、放射性同位素中子源、加速器中子源和反應(yīng)堆中子源。
自然中子本底主要是由高能宇宙射線與大氣、地面和大質(zhì)量物體（如建筑物、船舶上層建筑和貨物）的相互作用（這種現(xiàn)象被稱為“船舶效應(yīng)”，因?yàn)樗紫仁窃诖笮痛暗闹凶有盘栔杏^察到的），以及地殼中放射性元素的自發(fā)衰變產(chǎn)生。它的能量峰值約為1兆電子伏，并在此之上迅速下降。在地平線上，宇宙射線中子的平均產(chǎn)量約為每秒每公斤物質(zhì)產(chǎn)生20個中子。這導(dǎo)致中子通量為100-300中子/m2/s。平均中子本底隨地磁緯度而變化，在45度以上最高，在赤道處下降到最低點(diǎn)。它也隨太陽活動而變化，在太陽極小期，當(dāng)太陽磁場的屏蔽作用最低時(shí)，它大約是太陽極小期的兩倍。在太陽耀斑期間，由于大氣與耀斑發(fā)射的高能帶電粒子的相互作用，高緯度地區(qū)的中子本底急劇增加。在使用中子探測器時(shí)，必須考慮到這種可變性。
放射性同位素中子源是利用放射性核素衰變時(shí)放出一定能量的粒子，去轟擊靶物質(zhì)，發(fā)生核反應(yīng)而放出中子的裝置。由于放射性同位素發(fā)出的射線的種類不同，又可分為兩類：一類是利用某些放射性核素發(fā)射的a粒子或y射線去轟擊靶物質(zhì)來產(chǎn)生中子，包括α放射性中子源；光中子源；另一類是利用一些元素的自發(fā)裂變產(chǎn)生中子，為自發(fā)裂變中子源。放射性同位素中子源的優(yōu)點(diǎn)是體積小、發(fā)射中子基本上是各向同性的、制備比較簡單；已知強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律，可作為標(biāo)準(zhǔn)源。缺點(diǎn)是中子不是單能的；一般均伴生γ射線；強(qiáng)度不及反應(yīng)堆或加速器中子源。
加速器中子源是用人工方法使帶電粒子獲得較高能量的裝置。由各類中子發(fā)生器產(chǎn)生的質(zhì)子、氘[dāo]核、α粒子等去轟擊靶核引起發(fā)射中子的核反應(yīng)，就構(gòu)成加速器中子源。反應(yīng)堆中子源是利用鈾、钚[bù]等裂變物質(zhì)為燃料，以中子為媒介，維持可控制的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)不斷產(chǎn)生大量中子的裝置。
中子的分類
中子復(fù)合物
中子粒
中子粒是一種純粹由中子組成的假想物質(zhì)。中子粒這個詞由科學(xué)家安德烈亞斯·馮·安特羅波夫（?AndreasvonAntropoff?）在1926年（1932年發(fā)現(xiàn)中子之前）創(chuàng)造，用于描述他置于元素周期表首位的假設(shè)“原子序數(shù)為零的元素”（其原子核中具有零個質(zhì)子）
四中子團(tuán)簇
2002年，法國國家科學(xué)研究中心核物理實(shí)驗(yàn)室的弗朗西斯科-米高兒·馬科斯（Francisco-MiguelMarqués）帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于高中子含量的原子核束的分裂和反沖質(zhì)子的產(chǎn)生和檢測多中子團(tuán)簇的新方法。2016年，日本東京大學(xué)物理學(xué)者下浦享（SusumuSHIMOURA）等發(fā)表論文稱，他們首次在實(shí)驗(yàn)中觀測到了四中子穩(wěn)定核的存在。
中子星
中子星是一種主要由中子組成的星體，它是一種具有極端物理?xiàng)l件的天體，其平均密度與原子核密度相當(dāng)，約為，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我們平常所見的普通物質(zhì)密度（對比一下，鐵的密度僅為7.9g/cm3）。一茶匙的中子星物質(zhì)比整個珠穆朗瑪峰還要重。在中子星的巨大引力場中，那茶匙物質(zhì)的重量為，是月球放在地球表面的15倍，從內(nèi)殼到中心的壓力從增加到。中子星是除黑洞外密度最大的星體，一顆典型的中子星質(zhì)量介于太陽質(zhì)量的1.35到2.1倍，半徑則在10至20公里之間（質(zhì)量越大半徑收縮得越小），也就是太陽半徑的30，000至70，000分之一。
反中子
宇宙中存在著兩種對立的物質(zhì)，即（正）物質(zhì)和反物質(zhì)，反物質(zhì)由反粒子構(gòu)成，中子對應(yīng)的反粒子正是反中子。一個反中子由一個反上夸克和兩個反下夸克組成，反中子的質(zhì)量、自旋、電荷量、壽命與中子相同，其與中子的區(qū)別在于磁矩方向；反中子的磁矩方向與自旋重合。反中子最重要的性質(zhì)是它與核子的核相互作用，與反質(zhì)子一樣，反中子在與核子相遇時(shí)會湮沒并釋放出能量，這些能量消耗在π介子或（較小概率）K介子和（更小概率）γ量子的產(chǎn)生，這種湮沒特性導(dǎo)致了反中子的發(fā)現(xiàn)。
應(yīng)用
軍事
軍事上可利用核反應(yīng)產(chǎn)生的大量高能中子增強(qiáng)輻射殺傷效應(yīng)制造中子彈，中子彈又稱增強(qiáng)輻射彈或弱沖擊波強(qiáng)輻射彈。中子彈的殺傷特點(diǎn)與一般的原子彈、氫彈的沖擊波，光輻射，早期核輻射，放射性沾染和電磁脈沖5種破壞殺傷效應(yīng)程度有所不同，它是一種大大增強(qiáng)核輻射殺傷效應(yīng)而減弱沖擊波和光輻射作用的核武器。中子彈是在小型氫彈基礎(chǔ)上發(fā)展面成的，但在結(jié)構(gòu)上與氫彈又有許多區(qū)別，比如：中子彈和氫彈都是用原子彈做引爆裝置，但中子彈盡量減少裂變材料作為中子彈引爆裝置的原子彈，其當(dāng)量越小越好，最好才幾百噸當(dāng)量。中子彈中的熱核材料不用氘化鋰，而是用氘和氚。在當(dāng)量相同的情況下，氘和氚放出的中子能量大，穿透力強(qiáng)，對人體的殺傷效應(yīng)也大，在中子數(shù)相同的情況下，劑量相差3倍以上。
醫(yī)療
醫(yī)療上可將中子用于放射治療，中子射線雖然和光子射線一樣，本身不帶電荷，因而具有很強(qiáng)的穿透能力，但中子有比光子高很多的治療效率。因?yàn)橹凶記]有電荷，所以在與物質(zhì)相互作用過程中沒有直接的電離、激發(fā)過程，它的作用主要是中子核反應(yīng)。臨床使用的主要為快中子外照射治療，快中子束在治療腫瘤方面有比光子優(yōu)越的放射生物學(xué)特點(diǎn)：它對細(xì)胞的氧增比小，在常用能量范圍內(nèi)的氧增比約等于1.5~1.7，相對生物效應(yīng)高，約等于3.0~8.0，殺傷力大；而且，快中子對細(xì)胞的殺傷無周期特異性，放射敏感性隨腫瘤細(xì)胞周期的變化小。因此，快中子對惡性腫瘤中的乏氧細(xì)胞有較強(qiáng)的殺傷能力，使腫瘤細(xì)胞增殖能力及亞致死損傷修復(fù)能力變得很小。
工業(yè)
核反應(yīng)
反應(yīng)堆內(nèi)的中子核反應(yīng)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應(yīng)過程，包括非彈性散射和彈性散射兩種。在非彈性散射過程中，入射中子的一部分（通常為大部分）動能將轉(zhuǎn)變?yōu)榘泻说膬?nèi)能，使靶核處于激發(fā)態(tài)，然后通過發(fā)射γ射線返回基態(tài)，非彈性散射的過程要求人射中子的能量至少高于靶核的第一激發(fā)態(tài)能量，且具有閾能的特點(diǎn)。彈性散射可進(jìn)一步分為共振彈性散射和勢散射。共振彈性散射需經(jīng)過復(fù)合核過程，勢散射則不需要。在熱中子反應(yīng)堆內(nèi)，中子從高能慢化到低能起主要作用的就是彈性散射中子吸收最終結(jié)果是中子的消失。
中子發(fā)射器
利用中子管等中子發(fā)生器，可制造中子發(fā)射器，中子管又稱為密封中子發(fā)生器，它是一種小型加速器中子源；其主要特點(diǎn)是離子源、加速系統(tǒng)及耙等全部密封在一個小型的玻璃管內(nèi)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。中子管有一定的使用壽命。中子管的中子產(chǎn)額一般比中子發(fā)生器要低。中子發(fā)射器可用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及石油測井的設(shè)備中。
中子成像
中子成像是研究微觀樣品和物體的技術(shù)，利用中子束直接穿透物質(zhì)，穿透后的中子被一個二維的中子探測器所記錄以產(chǎn)生一個物體的“中子陰影影像”，中子成像技術(shù)得到的像和通常X射線影像的結(jié)果相似，兩種技術(shù)的差別在于相互作用的機(jī)理不同：中子是和原子核相互作用，x射線是和電子殼層相互作用，和X射線相互作用的概率是和殼層中的電子數(shù)有關(guān)，也就是和原子序數(shù)有關(guān)，這種情況對于中子是完全不同，輕元素如鋰和硼能很好地阻止中子，但對于X射線它是不同程度透明的。相反地重物質(zhì)如鉛、泌或者鈾，中子是相對透明的，但對于X射線是不透明的。基于不同輻射的不同性質(zhì)，兩者是彼此互補(bǔ)的，可根據(jù)研究的對象選擇合適的成像方法。
中子測井
中子測井是利用中子與物質(zhì)相互作用的各種效應(yīng)來研究鉆井剖面巖層性質(zhì)的一組測井方法的統(tǒng)稱，進(jìn)行中子測井時(shí)，把裝有中子源和探測器的下井儀器由電纜放入井中，從中子源中發(fā)出的高能中子射入井內(nèi)和地層中，高能中子與物質(zhì)的原子核可能發(fā)生作用而減弱為低能中子或被原子核吸收，探測器記錄的低能中子數(shù)量或核反應(yīng)與放射性俘獲放出的γ射線強(qiáng)度和能量，是和地層的減速性質(zhì)以及吸收性質(zhì)有關(guān)，因?yàn)闅涫亲钐厥獾臏p速物質(zhì)，所以中子測井結(jié)果可以反映地層的含氫量。在含油或含水的純地層中，孔隙被含氫的水或油所充滿，因此含氫量的多少將反映地層孔隙度的大小，所以中子測井是一種孔隙度測井方法。氣層和油層或水層的含氫量差別非常明顯，所以中子測井也是劃分氣層的主要方法。氯是重要的中子吸收物質(zhì)，同時(shí)氯又是大多數(shù)地層水中的主要離子成分，所以中子測井在一定條件下對于劃分油水層也有重要作用。
農(nóng)業(yè)
中子輻照育種
中子輻射育種用中子射線照射植物的種子、植株，或其他部位、器官，使其發(fā)生遺傳性的根本變異，通過人工選擇和培育而育成新品種。中子在生物體中有很好的穿透能力，這和γ射線比較相似，中子輻射育種不論在誘變頻率方面或變異幅度方面，都大大超過傳統(tǒng)的育種方法。
中子測水
中子測水是一種不破壞土壤結(jié)構(gòu)，并能迅速測量土壤水分的方法。在中子源附近用熱中子探測器測量熱中子數(shù)（計(jì)數(shù)率），經(jīng)過標(biāo)定后即對一系列含水量為已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測量標(biāo)定，可直接測定土壤的水份含量。中子測水實(shí)質(zhì)上就是中子測氫，氫的含量反應(yīng)了水份含量。土壤或其他類型試樣中除含有自由水外，還含有結(jié)合水與有機(jī)化合物，它們也含有氫核，因此會增加熱中子的計(jì)數(shù)率。
研究進(jìn)展
2020年，卡爾文·W·約翰遜（?Calvin W. Johnson）用核極端競爭理論解釋了中子滴線（中子滴線是指各化學(xué)元素的原子核所能容納的最大中子數(shù)）的形成機(jī)制。
2021年，加州理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)對中子壽命進(jìn)行了有史以來最精確的測量，測得中子壽命為14.629 分鐘，誤差為 0.005 分鐘，結(jié)果的計(jì)算精度大于百萬分之400，是迄今為止最精確的結(jié)果。
2021年，杰斐遜實(shí)驗(yàn)室（Jefferson Lab）的研究人員用高能電子轟擊氘靶，重建電子散射的核子內(nèi)夸克的分布，發(fā)現(xiàn)當(dāng)與相關(guān)中子的空間重疊引起兩個粒子之間強(qiáng)烈的短程相互作用時(shí)，質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。
2022年，杜爾（M. Duer）、格恩豪瑟（?R. Gernh?user）等人借助基于放射性高能8He束大動量轉(zhuǎn)移的敲除反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在四中子系統(tǒng)的閾值附近觀察到了類共振結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與存在很短時(shí)間的準(zhǔn)束縛四中子態(tài)一致。
2023年，中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)研究建成了強(qiáng)流氘氚聚變中子源，用加速后的氘離子轟擊氚靶產(chǎn)生了能量為14.1MeV的聚變中子，可以用于模擬未來聚變堆內(nèi)的中子環(huán)境，開展氚增殖、能量提取、材料活化與損傷、輻射防護(hù)等聚變能技術(shù)相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
中子探測
中子探測是對中子的數(shù)目和能量的測量。在原子能的各個領(lǐng)域中，如核能的利用、放射性同位素的產(chǎn)生和應(yīng)用、原子核物理的研究等，都要進(jìn)行中子的探測。中子本身不帶電，中子的探測并不是直接記錄中子，而是通過中子同原子核的相互作用產(chǎn)生帶電粒子，再對帶電粒子進(jìn)行測量。
核反應(yīng)法
核反應(yīng)法是通過測量中子引起的核反應(yīng)放出的帶電粒子來實(shí)現(xiàn)中子的測量，使用重粒子探測器，這種方法可以通過測量帶電粒子的強(qiáng)度來探測慢中子的強(qiáng)度（通量）；還可以根據(jù)帶電粒子的射程或電離損失，測量其總動能，減去反應(yīng)能后求出入射快中子的初能。這種方法主要應(yīng)用于探測慢中子的強(qiáng)度，也可用于測量快中子能譜；中子引起核反應(yīng)的數(shù)目正比于中子流強(qiáng)度和反應(yīng)截面，因此觀察核反應(yīng)所致帶電粒子數(shù)也就能求得中子流的強(qiáng)度。
核反沖法
當(dāng)中子與原子核發(fā)生彈性散射后，原子核獲得一定的動能，成為反沖核，并帶有電荷，可視為重帶電粒子，被重離子探測器探測到。反應(yīng)前后系統(tǒng)動能、動量守恒，反沖核的能量與核質(zhì)量、散射角和中子初始能量有關(guān)，且在一定范圍內(nèi)均勻分布，因此在確定的條件下，反沖核數(shù)與單射的中個數(shù)成正比，通過反沖核通量的測量可以確定中子通量；通過測量相對于中子方向的某一狹窄角度范圍內(nèi)飛出的反沖核的能量分布，就能反推中子能譜。
核裂變法
核裂變法是利用中子與重核發(fā)生俘獲反應(yīng)，使重核發(fā)生裂變產(chǎn)生裂變碎片，通過測量裂變碎片來測量中子。慢中子和快中子都能使重核發(fā)生裂變，重核發(fā)生裂變時(shí)，每次裂變反應(yīng)會放出150-170MeV的能量，生成兩塊質(zhì)量相近的裂變碎片，每塊裂變碎片的能量達(dá)到40-10MeV。因此該方法可用于探測各種能量的中子。裂變法最大的優(yōu)點(diǎn)是可通過信號幅度甄別排除其他射線的干擾。
活化法
活化法基于中子激活而探測中子。中子被穩(wěn)定的原子核吸收后會形成放射性原子核。這種現(xiàn)象稱為“活化”或“激活”，通過測量被活化的原子核發(fā)射的粒子便能知道中子的注量率，達(dá)到探測中子的目的。活化法探測中子的最大特點(diǎn)是只能測定中子束流的積分效應(yīng)，而不能探測單次中子俘獲事件。基于活化法的中子探測器主要用于高中子注量率、并伴有強(qiáng)γ輻射的場合下進(jìn)行中子探測，如反應(yīng)堆堆芯中子注量率的測定。
中子的防護(hù)
中子輻射
中子輻射由自由中子所組成，中子不帶電，其質(zhì)量與質(zhì)子幾乎相等，穿透能力強(qiáng)，能使其他物質(zhì)具有放射性。
中子與其他物質(zhì)的相互作用類型有三種：
彈性散射，遵循宏觀下兩小球碰撞時(shí)的動量法則，中子可失去一部分動量。因此，如果碰撞目標(biāo)的質(zhì)量很大（如重原子核），那么中子將以原速率反彈。如果碰撞目標(biāo)與其質(zhì)量相近（如氫核），那么中子幾乎可以完全停下來，動量也幾乎完全傳給碰撞目標(biāo)（在電磁力作用下迅速減速）。
非彈性散射，中子被其他原子核吸收成為一個復(fù)合核，短時(shí)間內(nèi)又發(fā)出一個較低動能的中子，原子核進(jìn)入激發(fā)態(tài)，隨后發(fā)射多個γ光子。
中子俘獲，能量較低的中子被原子吸收后進(jìn)入激發(fā)態(tài)，隨后以輻射γ光子，或α粒子、β粒子、質(zhì)子（p）等形式回到基態(tài)。鎘、硼10的中子俘獲能力強(qiáng)，所以在好奇號火星車上，在設(shè)計(jì)3He管探測器的時(shí)候，其中之一覆蓋了鎘，用于阻擋能量小于0.4eV的熱中子。
中子與細(xì)胞發(fā)生相互作用，只是細(xì)胞中的分子發(fā)生電離或激發(fā)，可直接作用于脫氧核糖核酸，核糖核酸生物大分子，致使這些分子的鏈發(fā)生斷裂，細(xì)胞成分遭到破壞，另一方面，由于機(jī)體中存在大量的水分子，中子與水分子作用的幾率較大，水分子受中子作用可以產(chǎn)生多種化學(xué)性質(zhì)非常活潑的自由基（H2O2，HO2等），這些自由基能進(jìn)一步與水分子作用，同樣使機(jī)體受到損傷。由于中子不是直接電離粒子，主要通過與介質(zhì)作用后產(chǎn)生次級帶電粒子，其對受輻射物質(zhì)的電離密度大，造成的各種病理損傷嚴(yán)重。
屏蔽過程
中子能量高時(shí)，應(yīng)以非彈性散射為主，應(yīng)該先用重元素快速消耗快中子的能量。對于幾MeV以上的中子，可用含重核或者中重核的材料，通過非彈性碰撞使其能量迅速降低。
中子能量中等時(shí)，應(yīng)以彈性散射為主，應(yīng)將中子慢化為熱中子，最有效的中子慢化材料是低原子序數(shù)的元素，所以含氫材料是絕大多數(shù)屏蔽材料的主要成分。常用的材料有水、石蠟、混凝土、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚等。
中子能量低時(shí)，應(yīng)以中子俘獲為主，應(yīng)該用用含鋰或含硼的材料（如硼酸等）使中子能量因原子核反應(yīng)轉(zhuǎn)換成帶電粒子的能量并吸收中子。由于中子防護(hù)必然有次生γ射線輻射，因此在外層還需要使用鉛等重金屬屏蔽y射線。混凝土中同時(shí)含有高原子序數(shù)的金屬元素和含氫豐富的水，適合屏蔽中子和 γ 射線，而且價(jià)格便宜，比較堅(jiān)固，在中子防護(hù)中得到廣泛應(yīng)用。
防護(hù)設(shè)備
中子輻射防護(hù)服主要由防中子輻射纖維制成，防中子輻射纖維作為一種特種合成纖維，對中子流具有突出抗輻射性能，其在高能輻射下仍能保持較好的機(jī)械性能和電氣性能，并具有良好的耐高溫和抗燃性能從而將快速中子減速和慢速（熱）中子吸收。中子輻射防護(hù)服已廣泛用于核原料提煉廠、石油測井儀器校準(zhǔn)室、核反應(yīng)堆廠房、泛新型坦克的核防護(hù)、戰(zhàn)車乘員和防化兵指戰(zhàn)員的中子防護(hù)、公路中子測量現(xiàn)場、中子刀治療室醫(yī)務(wù)人員和患者防護(hù)及國防艦船修造工作人員防護(hù)等。
參考資料 >
The Nobel Prize in Physics 1935.諾貝爾獎委員會.2024-01-13
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Enrico Fermi - Explore Biographical.諾貝爾獎委員會.2024-01-14
The Nobel Prize in Chemistry 1944.諾貝爾獎委員會.2024-01-15
中國散裂中子源.高能物理研究所 .2024-01-17
Physicists announce the world's most precise measurement of neutron lifetime.Phys org.2024-02-06
Nucleon Pairing May Explain Nuclear Scattering Mystery.Physics.2024-02-06
強(qiáng)流中子源HINEG產(chǎn)生十二次方氘氚聚變中子.中國科學(xué)院合肥戰(zhàn)略能源和物質(zhì)科學(xué)大型儀器區(qū)域中心.2024-02-06
假如有人拿著它追你.中國科學(xué)院高能物理研究所.2024-01-17