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中子(物理名词)

中子(Neutron)是组成原子核的核子之一。中子是组成原子核构成化学元素不可缺少的成分(注意:氕原子不含中子),虽然原子的化学性质是由核内的质子数目确定的,但是如果没有中子,由于带正电荷质子间的排斥力(质子带正电,中子不带电),就不可能构成除只有一个质子的氢之外的其他元素。中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。

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年詹姆斯查德威克用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。

稳定性和β衰变

中子β衰变的费曼图。经由一个W玻色子,中子衰变为一个质子,同时释放出一个电子和一个反电子中微子。

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其味。组成中子的三个夸克中,两个是下夸克(电荷

自由中子的衰变

自由中子不稳定。据此估计其半衰期为611.0±1.0 秒(大概10分钟11秒)。[18]中子的衰变可用以下方程描述:[19]

根据中微子、质子和电子的质量,此反应的衰变能为0.782343 兆电子伏特。如果此反应中中微子的动能忽略不计的话,已测得电子的最大能量为0.782±.013兆电子伏特。[20]这一实验结果误差太大,无法用于估计中微子的静止质量。

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:

这种γ射线是轫致辐射的结果。当反应中释放出的电子在质子产生的电磁场中运动时,高速运动的电子骤然减速发出的辐射。有时原子核中束缚态的中子衰变时,也会产生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。反应的所有能量皆转化为反电子中微子的动能。 [1]

束缚态中子的衰变

不稳定原子核里的中子可以像自由中子一样衰变。但是,中子衰变的逆过程也可以发生,即逆β衰变。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,同时放出一个电子中微子:

理论上,核内中子俘获正电子生成质子也是有可能的。但是,两个因素对此过程不利。一方面原子核带正电荷,因此同正电子同性相斥。另一方面正电子和电子相遇会发生湮灭。因此正电子俘获事件的几率很小。

因原子核内的中子受到其他因素的制约,稳定性和自由中子不尽相同。比如,如果核内一个中子衰变成质子,核内正电荷的斥力就会增大。这个斥力的势能就变成中子衰变的一个势垒。如果中子不能突破这个势垒,它就无法衰变。这也可以解释在自由状态下稳定的质子有时会在束缚态中转变为中子。

电偶极矩

标准模型预言中子具有微小但非零的电偶极矩。但是测量其数值所需的精度远远超过实验条件。[21]标准模型不可能是对物理现实的最终和最完整的描述。超越标准模型的新理论得到的数值一般要比标准模型的大得多。目,前,至少有四组实验力图测量中子的电偶极矩:

劳厄-朗之万研究所(Institut LaueLangevin)的低温中子电偶极矩实验(CryoEDM),在建[22]

保罗谢若研究所(Paul Scherrer Institute)的中子电偶极矩实验(nEDM),在建[23]

橡树岭国家实验室散裂中子源(Spallation Neutron Source)的中子电偶极矩实验(nEDM),拟建[24]

劳厄-朗之万研究所的中子电偶极矩实验(nEDM),在建[25]

磁矩

虽然中子是电中性粒子,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,是由布鲁斯考克(Bruce Cork)于1956年发现,比反质子的发现晚一年时间。CPT对称理论对粒子和反粒子的性质有严格的限制,因此观测中子-反中子可以对CPT对称进行缜密的检验。中子和反中子质量差异约为9±6×105,仅为2σ,不足以证明CPT对称破缺。[18]

中子结构和电荷的几何分布

一篇2007年发表的文章进行了不依赖于模型的分析后作出结论,中子的外壳带负电荷,中间层带正电荷,而中心带有负电荷。[26]简单的说,中子的电负性外壳同质子相互吸引。但是,在原子核中,质子和中子之间最主要的作用力为核力。这种力跟粒子是否带电荷无关。

在原子核外,自由中子性质不稳定,寿命约为15分钟。中子衰变时释放一个电子和一个反中微子而成为质子(β衰变)。同样的衰变过程在一些原子核中也存在。原子核中的中子和质子可以通过吸收和释放π介子互相转换。

为什么稳定的原子核里面的中子不衰变?

1.其实这个问题是不成立的。因为,从量子力学的角度来讲,原子核里面的中子也是会衰变的,只不过几率可能是极小的;

2.与自由中子不同,原子核里面的中子“质量”不一定大于质子“质量”;原子核里面中子的“质量”可能会比质子的小,从而会发生质子衰变为中子的事情;

3、原子核内部构成了中子稳定存在的环境。 [1]

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。中子是由3个更深层次的粒子夸克构成的。中子和质子是同一种粒子的两种不同电荷状态,其同位旋为 1/2 ,中子的同位旋第三分量I3=-1/2。在轻核中含有几乎相等数目的中子和质子;在重核中,中子数则大于质子数,例如铀共有146个中子和92个质子。对于一定质子数的核,中子数可以在一定范围内取几种不同的值,形成一个元素的不同同位素。

中子是研究核反应很好的轰击粒子,由于它不带电,即使能量很低,也能引起核反应

(见中子核反应)。中子还在核裂变反应中起重要作用。电中性的中子不能产生直接的电离作用,无法直接探测,只能通过它与核反应的次级效应来探测。

根据微观粒子的波粒二象性,中子具有波动性,慢中子的波长约10-10米,与晶体内原子间距相当。中子衍射是研究晶体结构的重要技术。中子是不带电的基本粒子,静止质量为1.6748×10-27kg,它的半径约为0.8×10-15m,与质子大小类似。中子常用符号n表示。

①、1932年英国物理学家查德威克在做了用α粒子轰击铍的实验中发现了中子。

②、单独存在的中子是不稳定的,平均寿命约为16分,它将衰变成质子、电子和反中微子ν。

③、原子核由中子和质子组成,原子核内的中子是稳定的。

④、由于中子不带电,所以容易打进原子核内,引起各种核反应。

⑤、中子的自旋量子数为1/2。

⑥、中子包含两个具有 -1/3 电荷的下夸克和一个具有 +2/3 电荷的上夸克,其总电荷为零。

中子核反应neutron induced nuclear reaction中子同原子核相互作用引起的核反应。中子的重要特征是不带电,不存在库仑势垒的阻挡,这就使得几乎任何能量的中子同任何核素都能发生反应,在实际应用中,低能中子的反应起更重要的作用。中子核反应主要有:

①、中子裂变反应。某些重核如235U俘获中子发生裂变,记作(n,f),裂变同时还放出2~3个瞬发中子,并释放很大的裂变能,这种中子的增殖可使裂变反应持续不断进行,形成裂变链式反应,这是获取核能的重要途径。

②、中子辐射俘获。中子被核俘获后形成复合核,然后通过放出一个或多个γ光子退激 ,记作( n,γ )研究γ射线的能谱可以得到复合核能级结构、辐射过程性质的信息,( n,γ )反应对一切稳定核都是重要的,甚至中子能量很低时也能发生,(n,γ) 反应还是生产核燃料 、超铀元素等的重要反应。

此外 ,还有中子的弹性散射和非弹性散射;中子被核吸收可放出 2个、3 个…中子的( n,2n ),( n ,3n)…反应;发射带电粒子的(n,X)反应以及吸收中子不放出中子的中子吸收等等。中子核反应在研究核结构和核反应机制及核能利用中占重要地位。 [2]

能够产生中子的装置 , 进行中子核反应、 中子衍射等中子物理实验的必要设备。

自由中子是不稳定的,它可以衰变为质子放出电子和反电中微子,平均寿命只有15分钟,无法长期储存,需要由适当的产生方法源源供应。主要方法有以下3种:

①放射性同位素中子源。体积小 ,制备简单 ,使用方便。(a,n)中子源利用核反应9Be+a→12C+n+5.701兆电子伏特(MeV)将放射a射线的238Pu、226Ra 或241Am 同金属铍粉末按一定比例均匀混合压制成小圆柱体密封在金属壳中。( γ,n )中子源利用核反应中发出的γ 射线来产生中子 ,有 24Na-Be 源,124Sb-Be源等。

② 加速器中子源。利用加速器加速的带电粒子轰击适当的靶核,通过核反应产生中子,最常用的核反应有(d,n)、(p,n)和(γ,n) 等 ,其中子强度比放射性同位素中子源大得多。可以在很宽的能区上获得单能中子。加速器采用脉冲调制后,可成为脉冲中子源。

③反应堆中子源。利用原子核裂变反应堆产生大量中子。反应堆是最强的热中子源。在反应堆的壁上开孔,即可把中子引出。所得的中子能量是连续分布的。很接近麦克斯韦分布。采取一定的措施,可获得各种能量的中子束。 [3]

原子是由原子核和电子组成的,通常情况下电子都围绕着原子核旋转。然而在几千摄氏度以上的高温中,气态的原子开始抛掉身上的电子,于是带负电的电子开始自由自在地游逛,而原子也成为带正电的离子。温度愈高,气体原子脱落的电子就愈多,这种现象叫做气体的电离化。科学家把电离化的气体,叫做“等离子态”。

假如在超固态物质上再加上巨大的压力,那么原来已经挤得紧紧的原子核和电子,就不可能再紧了,这时候原子核只好宣告解散,从里面放出质子和中子。从原子核里放出的质子,在极大的压力下会和电子结合成为中子。这样一来,物质的构造发生了根本的变化,原来是原子核和电子,如今却都变成了中子。这样的状态,叫做“中子态”。

中子探测(Neutron detection):对中子的数目和能量的测量。在核能的利用 、放射性同位素的产生和应用核物理研究中都需要进行中子的探测,然而中子本身不带电,不会引起电离等作用,不产生直接的可观察效果,因此中子的探测是通过中子同原子核的相互作用,对反应的产物进行探测。

基本的方法有:

①反冲质子法。利用中子与质子的弹性散射产生反冲质子。在计数器中充以含氢的气体,或以含氢的固体做成计数器的入射窗口,通过测量反冲质子的数目和能量分布可定出中子的数目和能量。

②核反应法。利用(n,a)反应或(n,p)反应产生带电的a粒子或质子来探测中子。用得较多的反应是10B(n,a)7Li。将BF3气体封入正比计数器,中子反应产生的a粒子引起计数。另一种是利用中子的重核裂变反应,由裂变碎片产生的强电离作用探测中子。在电离室内壁涂铀化合物或室内封入 UF6气体。如果用的是235U,则对慢中子灵敏;如果用的是238U ,则对快中子灵敏。③活化法。很多元素在中子照射下都能变成放射性核素,因此可以用一片适当材料的薄膜置于中子流中,然后再用通常的计数器测量它的放射性强变。 [4]

热中子是符合麦克斯韦-玻耳兹曼分布并且其最可几动能约为kT = 0.0253 电子伏特 (4.0×1021 焦耳)的自由中子,对应这一动能的速率约为2.2千米/秒。这个速度也是对应于290K(摄氏17度)时麦克斯韦-玻尔兹曼分布下的最可几速率。常温下中子与介质的原子核发生若干次碰撞后,如果没有被俘获就会达到这个速率。热中子通常有比快中子大得多的有效中子俘获截面,也因此会更容易被原子核吸收,形成更重的、通常也不稳定的同位素。这个现像也被称为中子活化。一些裂变反应堆借助于减速剂实现对快中子的减速,也称为“热中子化”。在快中子增殖堆中,快中子被直接利用,没有减速的步骤。 [5]

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5x105电子伏特至 0.025电子伏特之间。

核聚变反应速率同温度一起急剧上升,达到峰值,然后渐渐回落。同其它有希望用于发电的核聚变反应相比,氘氚(DT)反应速率在较低温度(70 千电子伏特, 约8亿K)达到峰值,而且高于另外的反应。

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3x107电子伏特。

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1 兆电子伏特 (1.6×1013 焦耳,对应的速度约为14000千米/秒,相当于光速的5%。它们被称作快中子,以区别于热中子和宇宙射线或者加速器中产生的高能中子。核反应中产生的中子符合麦克斯韦-玻耳兹曼分布,其能量在0到~14兆电子伏特之间。铀235产生的中子平均能量为2兆电子伏特,且超过一半的中子不是快中子。因此仅仅靠铀235裂变产生的中子无法引发增殖性材料(比如铀238和钍232)的裂变。

轻水堆中的嬗变流程。

快中子可以通过减速变成热中子。在核反应堆中,通常使用轻水、重水、或石墨来使中子减速。

氘氚(DT)聚变反应产生能量较高的中子,动能为14.1兆电子伏特,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。氘氚反应也是最容易点火的反应之一。在氘核和氚核的动能达到14.1兆电子伏特的千分之一时,该反应就几乎达到峰值反应速率。

聚变中子可以有效的引发不可裂变的重元素(比如锕系元素)的裂变,并释放出更多的中子。因此,有人提议用将来的托卡马克氘氚聚变反应堆来嬗变核废料中的超铀元素。散裂中子源也使用14.1兆电子伏特的中子产生中子。

因为聚变中子不是引起裂变就是散裂,它难以被其它核吸收。氢弹核武器正是利用了这一特性。首先,聚变反应产生高能量中子。下一步,不可裂变材料(比如铀-238)在这些中子的轰击下发生裂变。这很显然带来了一些核安全和扩散上的问题:如果有人掌握了聚变反应,他们也许就可以用无法制造原子弹的核材料(比如贫化铀和反应堆级钚)制造热核武器。

另外一些聚变反应产生的中子能量较低。比如氘氘(DD)聚变有50%的几率生成一个2.45兆电子伏特的中子和一个氦-3核;还有50%的几率生成氚核和一个质子。氘氦3(D-3He)聚变不生成中子。

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1电子伏特至10电子伏特之间。中子俘获和核裂变的中子反应截面在这个能量区间有个多共振峰。中能中子在快中子堆和热中子反应堆中并不重要。但在减速不良的热中子反应堆中,中能中子可能引发链式反应反应性的变化,使得反应的控制更加困难。

某些核燃料吸收中子后并不一定裂变,比如239,这种性质可以用俘获/裂变的比率来描述。因为俘获事件不但浪费了一个中子,而且通常会生成热中子或中能中子无法裂变的核。铀233是个例外。对任何能量的中子,铀233的俘获/裂变比都很好。

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。

1999年5月25日,以美国众院政策委员会主席考克斯为首的调查委员会,无端指责中国窃取了美国尚未部署的中子弹。这完全是使用谎言加捏造编制出来的。1930年发现用α粒子轰击铍时会产生一种看不见的贯穿能力很强的不带电粒子,卢瑟福的学生查德威克进一步研究证明了这种粒子质量与质子相差不多的不带电粒子是卢瑟福曾经预见的中子。

原子弹、氢弹、中子弹是核武器家族中的3个重要成员。中子是构成物质原子核的基本粒子之一,它的质量与质子相同。中子不带电,从原子核分裂出来的中子很容易进入原子核,人们利用中子的这个特性,用它轰击原子核来引出核子反应。这就是中子弹。中子弹在爆炸释放大量的高能中子,是以高能中子辐射为主要杀伤的小型氢弹。

每一种核武器都具有核辐射、冲击波、光辐射等杀伤力,中子弹也有核武器的这些特性,但是中子弹的杀伤特性主要不是在这些方面,中子弹主要是靠中子的辐射起到杀伤作用,它可以在有效的范围内杀伤坦克装甲车辆或建筑内的人员。如果有一个100吨TNT(即黄色炸药)当量的中子弹,在距离爆炸中心800米的核辐射剂量,是同等当量的裂变核武器的几十倍,但是它爆炸时产生的冲击波对建筑物的破坏半径只有300米~400米。也就是说,如果有一枚千吨级当量的中子弹在战场上爆炸,那么800米范围内的人员会被杀伤,被杀伤的人员并不是马上死去,而是慢慢地非常痛苦地死去,受伤者最长可以拖过7天的时间。在中子弹爆炸的300米范围之外的建筑和设施,可以毫发不损,可是建筑物中的人员却不能幸免于难。中子弹的这种特性,很适合在战场上作为战术核武器使用。

中子弹的诞生:它诞生于50年代,是由美国加州大学的一个实验室开发而成的。随后,掌握了核武器的国家纷纷开始研制中子弹。1981年,卡特总统批准了中子弹的生产计划。里根总统上台后,下令生产“长矛”导弹的中子弹头和可以用榴弹炮发射的中子弹头。美军已经有了203毫米榴弹炮的中子弹头和155毫米中子弹的弹头。这两种用炮弹发射的中子弹是目前世界上当量最小的中子弹。中子弹并没有在战场上投入使用。中子弹可以用飞机、导弹、榴弹炮来发射。美、英、法、俄的许多战斗机经过改装都可以发射带有中子弹头的对地导弹。 [6]

中子弹是世界上唯一已实现生产和部署的一种第三代核武器。

中子弹也是一种利用核材料聚变反应放出巨大能量的原理制成的核武器,因此又被称为特殊的氢弹。由于它是利用轻核聚变时产生的大量高能中子进行杀伤破坏的一种小型核武器,故又被称为以高能中子辐射为主要杀伤力的小型氢弹。 [7]

在中子弹中,引爆用的原子弹更小,只有几百吨TNT当量。这种原子弹是用钚-23

9制成的,因其比铀装药能释放更多的中子,可使中子弹小型化。中子弹主要核装药是氘和氚的混合物,而不是氘化锂。因为氘和氚聚变反应所放出的中子比裂变反应所放出的中子多得多,而锂可以吸收大部分中子。中子弹的外壳一般不用铀-238制作,而是采用铍和铍合金做成,这样高能中子可以自由逸出,同时使放射性污染的范围比较小。中子弹的当量较小,一般威力为1千吨TNT当量,要求引爆用的原子弹更小,使其制造难度增大。中子弹的爆炸能由聚变反应产生,并主要以快中子流的形式向四周释放。它的核辐射效应特别大,因此其正确名称应是增强的辐射武器。

凡是核武器都具有核辐射、冲击波、光辐射、放射性污染和电磁脉冲等杀伤力,但对三种核弹来说,这五种因素各自体现的比例都是不同的。同时在不同的爆炸方式下,各种杀伤破坏因素在释放的总能量中所占的比例也不完全相同。大体来说,原子弹爆炸时,冲击波和光辐射占能量的85%,其它3种因素占15%;氢弹爆炸时,冲击波和光辐射占能量的65%,其它3种因素占35%;中子弹爆炸时,核辐射和电磁脉冲占能量的70%以上,其它3种因素占30%以下。由此可见,氢弹和中子弹虽然都属核聚变武器,但它们的 杀伤形式是不同的。氢弹是以冲击波和光辐射为主来杀伤生命和破坏设施的,而中子弹是以中子辐射为主来杀伤生命的,电磁脉冲是随着中子辐射而出现的占能量较小部分的强脉冲信号。1千吨TNT当量的中子弹,在距地面90米的低空爆炸时,其冲击波、光辐射和放射性污染的毁坏作用只限在爆心投影点周围180米的范围之内,而快中子流以及中子流贯穿辐射与周围介质原子互相作用产生的电磁脉冲的杀伤半径却可达800米的距离。

中子的贯穿作用很强,它可以穿透坦克、掩体和砖墙去杀伤人员,而武器和建设物却能完好的保存下来。由于中子弹放射性污染比较低,因而被称为“清洁的”核弹。此外,中子流作用的时间很短,在中子弹袭击之后,军队能很快进入目标区作战。这些特点,决定了中子弹可作为战术核武器使用。核武器主要是作为核战斗部装在战略导弹上,用以摧毁战略目标。在近程夜战、空战和防空中有的导弹也装有核战斗部,用以摧毁地面大面积战术目标,对付飞机群和拦截携核弹的轰炸机等。中子弹不仅可以作为核战斗部装在导弹上使用,而且能够制成炮弹由榴弹炮发射出去投入战斗。

“四中子”又称为“零号元素”。法国里昂的科学家发现一种只有四个中子构成的粒子,这种粒子被称为"四中子",也有人称之为"零号元素"。它与天体中的中子星构成类似。

它的特性为:1、该微粒不显电性,2.它与普通中子互称为同位素。

法国一部粒子加速器上发现了六个不可能存在的粒子,它们拥有四个违背物理法则被捆绑在一起的中子,被称为“四中子”。法国科学家米格尔马克和他的同事们正在准备利用加内尔加速器再进行一次试验,如果他们成功的话,这些核团簇将迫使我们对原子核之间的结合力量进行重新考虑。在上一次试验中,研究小组向一个小型碳目标发射铍原子,对射入四周粒子探测器的残片进行分析,想要找到击中探测器的四个分离中子。结果他们仅在一个探测器中找到了射线的痕迹,证据表明有四个中子进入了探测器。当然,他们的发现可能是个巧合,四个中子只是在同一时间击中了同一地方,但这在理论上是完全不可能的。

很多人都会认为,四中子是无稽之谈,因为按照标准的粒子物理模式,四中子是不可能存在的。根据保利排他理论,即使是两个质子或中子都是无法在同一系统中拥有相同量子属性的。事实上,核力再强也无法将两个中子结合在一起,更不用说四个了。马克的小组对他们看到的结果非常迷惑,在自己的研究报告中都没敢写出相关数据。还有很多更为有力的证据说明四中子的存在值得怀疑,如果你修改物理法则允许四中子存在的话,这个世界将变成另外一个样子:大爆炸后各种元素的形成将不会按照我们看到的样子进行,更糟的是,这些元素会迅速变重,超出宇宙所能承受的范围,或许宇宙会在扩张成形之前就提前崩溃了。然而,这种推断也存在漏洞,现有的理论的确支持四中子的存在,虽然只是一种随机的短命粒子。有科学家指出,四个中子同时击中探测器的可能性是存在的,另外中子星的存在也支持了多中子物质的理论,这些星体中有大量的中子结合在一起,说明宇宙中存在一种无法解释的力量实现了它们的相聚。 [8]

1932年发现中子后不久朗道就提出可能有由中子组成的致密星。1934年巴德和兹威基也分别提出了中子星的概念而且指出中子星可能产生于超新星的爆发。1939年奥本海默和沃尔科夫通过

计算建立了第一个中子星的模型。中子星是处于演化后期的恒星,它也是在老年恒星的中心形成的。只不过能够形成中子星的恒星,其质量更大罢了。根据科学家的计算,当老年恒星的质量大于十个太阳的质量时,它就有可能最后变为一颗中子星,而质量小于十个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。

脉冲星是中子星的一类。脉冲星,就是变星的一种。脉冲星是在1967年首次被发现的。当时,还是一名女研究生的贝尔,发现狐狸星座有一颗星发出一种周期性的电波。经过仔细分析,科学家认为这是一种未知的天体。因为这种星体不断地发出电磁脉冲信号,人们就把它命名为脉冲星。脉冲星发射的射电脉冲的周期性非常有规律。一开始,人们对此很困惑,甚至曾想到这可能是外星人在向我们发电报联系。据说,第一颗脉冲星就曾被叫做“小绿人一号”。经过几位天文学家一年的努力,终于证实,脉冲星就是正在快速自转的中子星。而且,正是由于它的快速自转而发出射电脉冲。

原子核裂变时发射出来的中子。分瞬发中子和缓发中子。瞬发中子是裂变过程中直接放出的中子,在裂变10-4~10-3秒内放射出来,占裂变中子总数的99%;能量 分布很宽,从零延伸到15兆电子伏特(MeV),主要分布在0.1~5MeV范围内,235U热中子裂变中子谱的峰在0.8MeV附近,平均能量在2MeV左右;即使同样的核在同样条件下裂变,每次裂变发射的中子数也不固定,有的不发射中子,多数发射2~3个中子,最多可有7~8个,其平均值称为平均裂变中子数;的大小对链式反应装置的临界条件起关键作用。缓发中子是裂变碎片因含中子过多不稳定而放射出来的,碎片核以几分之一秒到几十秒的半衰期放射中子,其数目不足裂变中子总数的1%;其能量分布也是连续谱,平均能量在1MeV以下;缓发中子在慢中子裂变反应堆的控制上起重要作用。

中子的反粒子。它是1956年发现的。它的磁矩对于其自旋是反号的。反中子与核子相碰可湮没为π介子。正电子的发现证实了狄拉克反粒子理论,一些理论物理学家开始认真对待这一理论。1934年泡利与克拉夫证明,即使不能形成稳定的负能粒子海,也会有相应的反粒子存在。于是人们就开始寻找其他粒子的反粒子。

早在1928年,狄拉克便预言了反质子的存在,但证实它的存在却花了20多年的时间。

根据狄拉克的理论,反质子的质量与质子相同,所带电荷相反,质子与反质子成对出现或湮没,用两个普通的质子碰撞便可获得反质子,但反质子的产生阈能为6.8GeV。1954年,在加利福尼亚大学的劳伦斯辐射实验室,建成了64亿电子伏的质子同步稳相加速器,这为寻找反粒子提供了条件。1955年,张伯伦和塞格雷用上述加速器证实了前一年人们所观测的反质子的存在。由于反质子出现的机会极少,大约每1000亿高能质子的碰撞,才能产生数量很少的反质子,因而证实反质子的存在极为困难。1955年他们这个实验小组测到60个反质子。由于偶然符合本底不大,记数系统虽不算好,但较为可信。

不久他们又发现反中子。尽管高能粒子打靶时也能产生反中子,但是由于反中子不带电,更难从其他粒子中鉴别出来。他们是利用反质子与原子核碰撞,反质子把自己的负电荷交给质子,或由质子处取得正电荷,这样,质子变成了中子,而反质子则变成了反中子。 [9]


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