高能物理核技术

    中子产生

    一、简介

    中子(Neutron)是组成原子核核子之一。中子是组成原子核构成化学元素不可缺少的成分(注意:原子不含中子),虽然原子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。

    二、性质

    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

    ),另外一个是上夸克(电荷

    )。一个下夸克可以衰变成一个较轻的上夸克,并释放出一个W玻色子。这样中子可以衰变成质子,同时释放出一个电子和一个反电子中微子。

    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。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 Laue–Langevin)的低温中子电偶极矩实验(CryoEDM)

    保罗·谢若研究所(Paul Scherrer Institute)的中子电偶极矩实验(nEDM)

    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)

    劳厄-朗之万研究所的中子电偶极矩实验(nEDM)

    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±6×10?5,仅为2σ,不足以证明CPT对称破缺。

    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。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。

    三、结构

    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

    四、用途

    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

    便携式中子检测仪

    便携式中子检测仪

    (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

    五、反应

    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。