束縛態(tài)中子的衰變
不穩(wěn)定原子核里的中子可以像自由中子一樣衰變。但是,中子衰變的逆過程也可以發(fā)生,即逆β衰變。質(zhì)子可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋(gè)中子,同時(shí)放出一個(gè)正電子和一個(gè)電子中微子:
質(zhì)子還可以通過電子俘獲轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子,同時(shí)放出一個(gè)電子中微子:
理論上,核內(nèi)中子俘獲正電子生成質(zhì)子也是有可能的。但是,兩個(gè)因素對此過程不利。一方面原子核帶正電荷,因此同正電子同性相斥。另一方面正電子和電子相遇會(huì)發(fā)生湮滅。因此正電子俘獲事件的幾率很小。
因原子核內(nèi)的中子受到其他因素的制約,穩(wěn)定性和自由中子不盡相同。比如,如果核內(nèi)一個(gè)中子衰變成質(zhì)子,核內(nèi)正電荷的斥力就會(huì)增大。這個(gè)斥力的勢能就變成中子衰變的一個(gè)勢壘。如果中子不能突破這個(gè)勢壘,它就無法衰變。這也可以解釋在自由狀態(tài)下穩(wěn)定的質(zhì)子有時(shí)會(huì)在束縛態(tài)中轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶印?
電偶極矩
標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言中子具有微小但非零的電偶極矩。但是測量其數(shù)值所需的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)驗(yàn)條件。[21]標(biāo)準(zhǔn)模型不可能是對物理現(xiàn)實(shí)的最終和最完整的描述。超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新理論得到的數(shù)值一般要比標(biāo)準(zhǔn)模型的大得多。目,前,至少有四組實(shí)驗(yàn)力圖測量中子的電偶極矩:
勞厄-朗之萬研究所(Institut Laue–Langevin)的低溫中子電偶極矩實(shí)驗(yàn)(CryoEDM),在建[22]
保羅·謝若研究所(Paul Scherrer Institute)的中子電偶極矩實(shí)驗(yàn)(nEDM),在建[23]
勞厄-朗之萬研究所的中子
電偶極矩實(shí)驗(yàn)(nEDM),在建[25]
磁矩
雖然中子是電中性粒子,但是中子具有微小但非零的磁矩。
反中子
反中子是中子的反粒子,是由布魯斯·考克(Bruce Cork)于1956年發(fā)現(xiàn),比反質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)晚一年時(shí)間。CPT對稱理論對粒子和反粒子的性質(zhì)有嚴(yán)格的限制,因此觀測中子-反中子可以對CPT對稱進(jìn)行縝密的檢驗(yàn)。中子和反中子質(zhì)量差異約為9±6×10−5,僅為2σ,不足以證明CPT對稱破缺。[18]
中子結(jié)構(gòu)和電荷的幾何分布
一篇2007年發(fā)表的文章進(jìn)行了不依賴于模型的分析后作出結(jié)論,中子的外殼帶負(fù)電荷,中間層帶正電荷,而中心帶有負(fù)電荷。[26]簡單的說,中子的電負(fù)性外殼同質(zhì)子相互吸引。但是,在原子核中,質(zhì)子和中子之間最主要的作用力為核力。這種力跟粒子是否帶電荷無關(guān)。
在原子核外,自由中子性質(zhì)不穩(wěn)定,壽命約為15分鐘。中子衰變時(shí)釋放一個(gè)電子和一個(gè)
反中微子而成為質(zhì)子(
β衰變)。同樣的衰變過程在一些原子核中也存在。原子核中的中子和質(zhì)子可以通過吸收和釋放
π介子互相轉(zhuǎn)換。
為什么穩(wěn)定的原子核里面的中子不衰變?
1.其實(shí)這個(gè)問題是不成立的。因?yàn),從量子力學(xué)的角度來講,原子核里面的中子也是會(huì)衰變的,只不過幾率可能是極小的;
2.與自由中子不同,原子核里面的中子“質(zhì)量”不一定大于質(zhì)子“質(zhì)量”;原子核里面中子的“質(zhì)量”可能會(huì)比質(zhì)子的小,從而會(huì)發(fā)生質(zhì)子衰變?yōu)橹凶拥氖虑椋?
3、原子核內(nèi)部構(gòu)成了中子穩(wěn)定存在的環(huán)境。[1]
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(gè)更深層次的粒子——
夸克構(gòu)成的。中子和
質(zhì)子是同一種粒子的兩種不同電荷
狀態(tài),其同位旋為 1/2 ,中子的同位旋第三分量I3=-1/2。在輕核中含有幾乎相等數(shù)目的中子和質(zhì)子;在重核中,中子數(shù)則大于
質(zhì)子數(shù),例如鈾共有146個(gè)中子和92個(gè)質(zhì)子。對于一定質(zhì)子數(shù)的核,中子數(shù)可以在一定范圍內(nèi)取幾種不同的值,形成一個(gè)元素的不同
同位素。
中子是研究核反應(yīng)很好的轟擊粒子,由于它不帶電,即使能量很低,也能引起核反應(yīng)
便攜式中子檢測儀
(見中子核反應(yīng))。中子還在
核裂變反應(yīng)中起重要作用。電中性的中子不能產(chǎn)生直接的
電離作用,無法直接探測,只能通過它與核反應(yīng)的次級效應(yīng)來探測。
根據(jù)微觀粒子的
波粒二象性,中子具有
波動(dòng)性,慢中子的波長約10-10米,與晶體內(nèi)原子間距相當(dāng)。
中子衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)。中子是不帶電的
基本粒子,靜止質(zhì)量為1.6748×10-27kg,它的半徑約為0.8×10-15m,與質(zhì)子大小類似。中子常用符號(hào)n表示。
①、1932年英國物理學(xué)家查德威克在做了用
α粒子轟擊鈹?shù)膶?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子。
②、單獨(dú)存在的中子是不穩(wěn)定的,平均壽命約為16分,它將衰變成質(zhì)子、電子和反中微子ν。
③、原子核由中子和質(zhì)子組成,
原子核內(nèi)的中子是穩(wěn)定的。
④、由于中子不帶電,所以容易打進(jìn)原子核內(nèi),引起各種核反應(yīng)。
⑥、中子包含兩個(gè)具有 -1/3 電荷的
下夸克和一個(gè)具有 +2/3 電荷的
上夸克,其總電荷為零。
中子核反應(yīng)neutron induced nub reb中子同
原子核相互作用引起的
核反應(yīng)。中子的重要特征是不帶電,不存在
庫侖勢壘的阻擋,這就使得幾乎任何能量的中子同任何
核素都能發(fā)生反應(yīng),在實(shí)際應(yīng)用中,低能中子的反應(yīng)起更重要的作用。中子核反應(yīng)主要有:
①、中子裂變反應(yīng)。某些重核如235U俘獲中子發(fā)生裂變,記作(n,f),裂變同時(shí)還放出2~3個(gè)瞬發(fā)中子,并釋放很大的裂變能,這種中子的增殖可使裂變反應(yīng)持續(xù)不斷進(jìn)行,形成
裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng),這是獲取核能的重要途徑。
②、
中子輻射俘獲。中子被核俘獲后形成復(fù)合核,然后通過放出一個(gè)或多個(gè)γ
光子退激 ,記作( n,γ )研究γ射線的能譜可以得到復(fù)合核能級結(jié)構(gòu)、輻射過程性質(zhì)的信息,( n,γ )反應(yīng)對一切穩(wěn)定核都是重要的,甚至中子能量很低時(shí)也能發(fā)生,(n,γ) 反應(yīng)還是生產(chǎn)核燃料 、超
鈾元素等的重要反應(yīng)。
此外 ,還有中子的
彈性散射和非彈性散射;中子被核吸收可放出 2個(gè)、3 個(gè)…中子的( n,2n ),( n ,3n)…反應(yīng);發(fā)射帶電粒子的(n,X)反應(yīng)以及吸收中子不放出中子的
中子吸收等等。中子核反應(yīng)在研究核結(jié)構(gòu)和核反應(yīng)機(jī)制及核能利用中占重要地位。[2]
能夠產(chǎn)生中子的裝置 , 進(jìn)行
中子核反應(yīng)、 中子衍射等中子物理實(shí)驗(yàn)的必要設(shè)備。
中子源對堆功率及反應(yīng)
自由中子是不穩(wěn)定的,它可以衰變?yōu)橘|(zhì)子放出電子和反電中微子,平均壽命只有15分鐘,無法長期儲(chǔ)存,需要由適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)生方法源源供應(yīng)。主要方法有以下3種:
①放射性
同位素中子源。體積小 ,制備簡單 ,使用方便。(a,n)中子源利用核反應(yīng)9Be+a→12C+n+5.701兆電子伏特(MeV)將放射a射線的238Pu、226Ra 或241Am 同金屬
鈹粉末按一定比例均勻混合壓制成小圓柱體密封在金屬殼中。( γ,n )中子源利用核反應(yīng)中發(fā)出的γ 射線來產(chǎn)生中子 ,有 24Na-Be 源,124Sb-Be源等。
② 加速器
中子源。利用加速器加速的帶電粒子轟擊適當(dāng)?shù)陌泻耍ㄟ^核反應(yīng)產(chǎn)生中子,最常用的核反應(yīng)有(d,n)、(p,n)和(γ,n) 等 ,其中子強(qiáng)度比放射性同位素中子源大得多?梢栽诤軐挼哪軈^(qū)上獲得單能中子。加速器采用脈沖調(diào)制后,可成為脈沖中子源。
③反應(yīng)堆中子源。利用
原子核裂變反應(yīng)堆產(chǎn)生大量中子。反應(yīng)堆是最強(qiáng)的熱中子源。在反應(yīng)堆的壁上開孔,即可把中子引出。所得的中子能量是連續(xù)分布的。很接近
麥克斯韋分布。采取一定的措施,可獲得各種能量的中子束。[3]