中子

在查德威克發現中子以前，流行的原子核模型為“質子-電子”模型。[7][8]但這個模型存在很多的問題。比如，在氮氣（N₂）的分子光譜中，偶數轉動能級的越遷要比奇數轉動能級的強烈，這説明偶數能級上的集居數比奇數能級的大。根據量子力學和泡利不相容原理，這意味著N-14核的自旋是約化普朗克常數ħ（普朗克常數除以2π）的整數倍。[17][18]這個結果同質子-電子模型相悖。質子和電子的自旋皆為¹⁄₂ħ。如果一個氮核由14個質子同7個電子組成，無論怎樣組合也無法得到其自旋是ħ的整數倍。 中子-質子模型能夠很好地解決這個問題。從β衰變中，費米得出結論說中子的自旋也必須是±¹⁄₂ħ，否則該反應的角動量就不守恆。如果N-14核由三個中子-質子對加上一對自旋方向相同但不配對的中子和質子構成，其自旋恰恰為1ħ。這一理論很快被用到其它核素上。 另外，原子光譜中通常會有由原子核引起的超精細結構。這一結構不受電子的自旋影響。這也和質子-電子模型相矛盾。[7]因爲如果原子核中有電子的話，電子的自旋反轉勢必會導致超精細結構的變化。最終人們意識到，除質子外，原子核中不存在電子，而存在一種中性的粒子，那就是中子。人們很快就接受了原子核是由质子和中子組成的。

中子β衰變的費曼圖。經由一個W玻色子，中子衰變為一個質子，同時釋放出一個電子和一個反電子中微子。

中子由三個夸克構成。根據標准模型，爲了保持重子數守恆，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其味。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子，同時釋放出一個電子和一個反電子中微子。

自由中子不穩定，其平均壽命為7002881500000000000♠881.5±1.5 秒（大概14分鐘42秒）。據此估計其半衰期為7002611000000000000♠611.0±1.0 秒（大概10分鐘11秒）。[19]中子的衰變可用以下方程描述：[20]

n0
→
p+
+
e−
+
ν
e

根據中微子、質子和電子的質量，此反應的衰變能為0.782343 百萬電子伏特。如果此反應中中微子的動能忽略不計的話，已測得電子的最大能量為0.782±.013百萬電子伏特。[21]這一實驗結果誤差太大，無法用於估計中微子的靜止質量。

有千分之一的自由中子會在生成質子、電子和中微子的同時，釋放出γ射綫：

n0
→
p+
+
e−
+
ν
e +
γ

這種γ射綫是轫致辐射的結果。當反應中釋放出的電子在質子產生的電磁場中運動時，高速運動的電子驟然減速發出的輻射。有時原子核中束縛態的中子衰變時，也會產生γ射綫。

有極少量的自由中子（大概百萬分之四）會發生所謂的雙体衰變。在此反應中，電子在產生后未能獲得足夠的能量脫離質子（估計為13.6電子伏特），於是和質子生成一個中性的氫原子。反應的所有能量皆轉化為反電子中微子的動能。

不穩定原子核裏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生，即逆β衰變。質子可以轉變為一個中子，同時放出一個正電子和一個電子中微子：

p+
→
n0
+
e+
+
ν
e

質子還可以通過電子俘獲轉變成一個中子，同時放出一個電子中微子：

p+
+
e−
→
n0
+
ν
e

理論上，核内中子俘獲正電子生成質子也是有可能的。但是，兩個因素對此過程不利。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發生湮滅。因此正電子俘獲事件的幾率很小。

因原子核内的中子受到其他因素的制約，穩定性和自由中子不盡相同。比如，如果核内一個中子衰變成質子，核内正電荷的斥力就會增大。這個斥力的勢能就變成中子衰變的一個勢壘。如果中子不能突破這個勢壘，它就無法衰變。這也可以解釋在自由狀態下穩定的質子有時會在束縛態中轉變為中子。

標准模型預言中子具有微小但非零的電偶極矩。但是測量其數值所需的精度遠遠超過目前的實驗條件。[22]標准模型不可能是對物理現實的最終和最完整的描述。超越標准模型的新理論得到的數值一般要比標准模型的大得多。目前，至少有四組實驗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驗（CryoEDM），在建[23]

• 保羅·謝若研究所（Paul Scherrer Institute）的中子電偶極矩實驗（nEDM），在建[24]

• 橡樹嶺國家實驗室散裂中子源（Spallation Neutron Source）的中子電偶極矩實驗（nEDM），擬建[25]

• 勞厄-朗之萬研究所的中子電偶極矩實驗（nEDM），在建[26]

雖然中子是電中性粒子，但是中子具有微小但非零的磁矩。

反中子是中子的反粒子，是由布魯斯·考克（Bruce Cork）於1956年發現，比反質子的發現晚一年時間。CPT對稱理論對粒子和反粒子的性質有嚴格的限制，因此觀測中子-反中子可以對CPT對稱進行縝密的檢驗。中子和反中子質量差異約為6995900000000000000♠(9±6)×10⁻⁵，僅為2σ，不足以證明CPT對稱破缺。[19]

一篇2007年發表的文章進行了不依賴于模型的分析后作出結論，中子的外殼帶負電荷，中間層帶正電荷，而中心帶有負電荷。[27]簡單的說，中子的電負性外殼同質子相互吸引。但是，在原子核中，質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。

法國國家科學研究中心核物理實驗室的弗朗西斯科-米高兒·馬科斯（Francisco-Miguel Marqués）帶領的研究團隊在觀察鈹-14核的裂變時，提出了四中子穩定核的假説。[28]這一假説認爲，四個中子能形成一個穩定的原子核。現有理論認爲這種組合不穩定。後來的實驗工作未能重復馬科斯等人的發現。2016年2月，日本東京大學物理學者下浦享（Susumu SHIMOURA）等發表論文稱，他們首次在實驗中觀測到了四中子穩定核的存在。[29] 多名物理學者表示，如果這一工作得到證實，將是核物理學的重大發現，並加深我們對核力的理解。[30][31]

此外，還有人認爲兩個中子也能形成一個穩定的對。斯皮尤等人稱在鈹-16的衰變中首次觀測到了雙中子穩定對。[32]

在極高溫度和壓力下，比如在大質量恆星的坍縮過程中，原子核中的質子可以和核外電子反應轉變為中子。最後的結果就是生成完全由中子構成的中子星。由於這種星體的巨大引力，有人提出其中的中子會被壓迫變形，成爲一種立方密堆積的結構，以獲得更高的堆積密度。[33]

某些核素有很高的中子反應截面。它們在俘獲中子之後，會釋放出容易檢測的輻射，比如α粒子。常用於此目的的核素包括3
He
, 6
Li
, 10
B
, 233
U
, 235
U
, 237
Np
和239
Pu
。但中子反應截面一般同中子的能量有關。通常高能中子（快中子）的反應截面要低於低能中子（熱中子）。爲了增加反應截面，在檢測高能中子之前需要使中子減速。富含氫的化合物，比如聚乙烯，可以用作中子減速劑。但經過減速之後，中子的能量、到達時間以及入射角皆已不可測量。[34]

中子可以和原子核發生彈性碰撞，使原子核在相反方向上發生運動。中子和原子核發生碰撞時，較輕的原子核能夠獲得更大的動能。用彈性散射來檢測中子的儀器稱爲快中子檢測器。受到正碰的原子核可以電離或撞擊其它物質，產生的電荷和閃爍光子可以很容易偵測到。快中子檢測器最主要的問題是如何區別入射輻射是γ射綫還是中子，因爲二者可以產生類似的結果。快中子檢測器不需要減速劑，因此可以測定中子的能量、到達時間以及入射角。[34]

自由中子束可以通過中子源產生。研究者們可以去特殊研究機構使用其研究反應堆或散裂中子源。比如美國橡樹嶺國家實驗室就擁有公衆可以申請使用的散裂中子源。[25]

因爲其電中性，中子很難加速、減速、聚焦或偏轉。對帶電粒子可以用電場和磁場實現上述操作。但這些手段對中子影響不大。但因爲中子擁有微小但非零的磁矩，非均勻磁場可以起到一些控制作用。中子還可以通過減速、反射和速度選擇來來控制。如同光子的法拉第效應，熱中子通過磁性材料後可以被偏振化。通過使用磁鏡和磁性干涉濾鏡，可以製成極高偏振度（degree of polarization，中子波的偏振部分所佔有的百分比）、波長為6-7 Å的冷中子束。[38]

高能中子是加速器轟擊靶子或高能宇宙射線轟擊大氣層所產生的次生粒子。其能量比快中子高得多。动能大于10MeV。有的高能中子可以擁有數十焦耳的動能。它們具有極強的電離性能，比X射綫和質子更能造成細胞的損傷和死亡。[44][45]

快中子是在核裂變反應中產生的自由中子，其動能20keV～10MeV (6987160000000000000♠1.6×10⁻¹³ 焦耳，1MeV對應的速度約為14000千米/秒，相當於光速的5％。它們被稱作快中子，以區別於熱中子和宇宙射線或者加速器中產生的高能中子。核反應中產生的中子符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布，其能量在0到~14百萬電子伏特之間。鈾−235產生的中子平均能量為2百萬電子伏特，且超過一半的中子不是快中子。因此僅僅靠鈾−235裂變產生的中子無法引發增殖性材料（比如鈾−238和釷−232）的裂變。

輕水堆中的嬗變流程。

快中子可以通過減速變成熱中子。在核反應堆中，通常使用輕水、重水、或石墨來使中子減速。

能量介於快中子和熱中子之間的中子稱為中能中子。這種中子的能量在100eV～20keV之間。中子俘獲和核裂變的中子反應截面在這個能量區間有個多共振峰。中能中子在快中子堆和熱中子反應堆中並不重要。但在減速不良的熱中子反應堆中，中能中子可能引發鏈式反應反應性的變化，使得反應的控制更加困難。

某些核燃料吸收中子後並不一定裂變，比如钚−239，這種性質可以用俘獲／裂變的比率來描述。因為俘獲事件不但浪費了一個中子，而且通常會生成熱中子或中能中子無法裂變的核。鈾−233是個例外。對任何能量的中子，鈾−233的俘獲／裂變比都很好。

动能在0-1000eV

动能在1000～100000eV

动能在0.025eV～100eV

熱中子是符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布並且其最可幾動能約為kT = 6998253000000000000♠0.0253 [[電子伏特]] (6979399999999999999♠4.0×10⁻²¹ [[焦耳]])的自由中子，對應這一動能的速率約為2.2千米/秒。這個速度也是對應於290K（攝氏17度）時麦克斯韦-玻尔兹曼分布下的最可幾速率。常溫下中子與介質的原子核發生若干次碰撞後，如果沒有被俘獲就會達到這個速率。熱中子通常有比快中子大得多的有效中子俘獲截面，也因此會更容易被原子核吸收，形成更重的、通常也不穩定的同位素。這個現像也被稱為中子活化。一些裂變反應堆借助於減速劑實現對快中子的減速，也稱為“熱中子化”。在快中子增殖堆中，快中子被直接利用，沒有減速的步驟。

把熱中子冷卻到極低溫度即得到冷中子，比如液氫或液氘。這樣的冷中子源一般放置在研究反應堆或散裂中子源的減速劑裡。冷中子源對於中子散射試驗非常重要。冷中子的能量約5x10⁻⁵電子伏特至 0.025電子伏特之間。

核聚變反應速率同溫度一起急劇上升，達到峰值，然後漸漸回落。同其它有希望用於發電的核聚變反應相比，氘−氚（DT）反應速率在較低溫度（70 千電子伏特， 約8億K）達到峰值，而且高於另外的反應。

动能在0.0001～0.0000001eV

冷中子通過與溫度只有幾K的物質（比如固體氘或者超流體液氦）發生非彈性散射後可以得到超冷中子。其能量小於3x10⁻⁷eV。

中子能量越大，轰击原子核的裂变物质量分布对称性越大。热中子引发U235或Pu239裂变，其裂变产物包括一较轻的原子核与一较重的核，具有不对称性，二者质量比是2∶3，轻的分裂物集中在质量数90～100之间，较重分裂物集中在质量数130～140之间。铀核裂变1s内它能产生1000代中子，每次裂变平均放出2.5个中子；1kg纯U235，约经过80代中子就可全部裂变完。

1947年钱三强在法国居里研究院发现慢中子轰击铀核也有三分裂、四分裂现象，主要是二分裂；三分裂与二分裂之比是0.003，四分裂与二分裂之比是0.0003。

核裂变产生的中子叫裂变中子或分裂中子。又细分为瞬发中子和缓发中子（延迟中子），核裂变产生的大部分的中子在分裂瞬间（10-12s内）放出，少数的则延迟放出。例如，U235、U233和Pu239裂变时，瞬发中子占99.2％，缓发中子占0.8％。缓发中子平均能量在1Mev以下。 统计显示，轰击U235，每次裂变放出的瞬发中子最多在2～3个之间，平均值为2.4个，释放的中子的能量平均为1.95MeV,中子能量谱峰值在0.8MeV附近，其中缓发中子的能量平均在300keV～500keV。14MeV的中子引发U235裂变，放出的瞬发中子平均数为4.4个。

锎252自发裂变也能产生大量的中子。是一种很好的中子源，其用途广泛。

氘−氚（DT）聚變反應產生能量較高的中子，動能為14.1百萬電子伏特，對應的速度相當於光速的17％。這些中子是快中子能量的近10倍。氘−氚反應也是最容易點火的反應之一。在氘核和氚核的動能達到14.1百萬電子伏特的千分之一時，該反應就幾乎達到峰值反應速率。

聚變中子可以有效的引發不可裂變的重元素（比如錒系元素）的裂變，並釋放出更多的中子。因此，有人提議用將來的托卡馬克氘−氚聚變反應堆來嬗變核廢料中的超鈾元素。散裂中子源也使用14.1百萬電子伏特的中子產生中子。

因為聚變中子不是引起裂變就是散裂，它難以被其它核吸收。氫彈核武器正是利用了這一特性。首先，聚變反應產生高能量中子。下一步，不可裂變材料（比如鈾-238）在這些中子的轟擊下發生裂變。這很顯然帶來了一些核安全和擴散上的問題：如果有人掌握了聚變反應，他們也許就可以用無法制造原子彈的核材料（比如貧化鈾和反應堆級鈈）制造熱核武器。

另外一些聚變反應產生的中子能量較低。比如氘−氘（DD）聚變有50％的幾率生成一個2.45百萬電子伏特的中子和一個氦-3核；還有50％的幾率生成氚核和一個質子。氘−氦−3（D-³He）聚變不生成中子。