1920年6月3日，歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）發(fā)表了一次關(guān)于原子核構(gòu)成的公開演講。這位原子核和質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)者認為，自然界中應(yīng)該存在著一種新的、電中性的粒子。這一粒子后來被稱之為中子。
中子的發(fā)現(xiàn)
查德威克在用α粒子撞擊鈹?shù)膶嶒炛邪l(fā)現(xiàn)了呈電中性的中子輻射。
一戰(zhàn)期間，英國物理學(xué)家詹姆斯·查德威克（James Chadwick）曾被困于德國的一間監(jiān)獄長達四年之久。一戰(zhàn)結(jié)束后，他回到英國，追隨本科時期的導(dǎo)師盧瑟福，開始在劍橋大學(xué)的卡文迪許實驗室從事伽馬射線和原子核結(jié)構(gòu)的研究工作。那時，盧瑟福已經(jīng)提出了關(guān)于中子存在的想法。
1930年，德國物理學(xué)家瓦爾特·博特（Walther Bothe）和赫伯特·貝克爾（Herbert Becker）證明當鈹被α粒子擊中時，會發(fā)射出一種強大的穿透性輻射。伊雷娜·約里奧-居里（Irene Joliot-curie）和讓·弗雷德里克·約里奧-居里（Frederic Joliot）證明，如果讓這種未知的輻射通過石蠟，或任何其他含氫化合物上，都會釋放出高能的質(zhì)子。他們認為，這可能是一種高能的電磁輻射，比如γ輻射。但查德威克不這樣認為，因為這種輻射的穿透性比γ輻射還要強。
查德威克進行了一系列實驗來研究，他的目標在于尋找一種質(zhì)量大致與質(zhì)子相同的中性粒子。實驗非常成功，他發(fā)現(xiàn)當擊中鈹?shù)摩亮Ｗ颖烩斣雍瞬东@時，可以形成一個碳原子核，并釋放一個中性粒子，這種粒子的質(zhì)量大約比質(zhì)子高0.1%。雖然這種粒子雖然與盧瑟福最初的理解不同，但這就是他想要尋找的中子。
1932年2月27日，查德威克在《自然》雜志上發(fā)表了一篇論文，證實了中子的存在，他也因此獲得了1935年的諾貝爾物理學(xué)獎。
這一發(fā)現(xiàn)讓眾多在此前不相信盧瑟福的物理學(xué)家感到意外，但美國化學(xué)家威廉·哈金斯（William Harkins）卻是個例外，因為他在1921年也提出了類似的建議，并且是首個在出版物中使用“中子”一詞的人。物理學(xué)家至今仍不能確定，哈金斯和盧瑟福中究竟誰才是最先將這種電中性的粒子命名為中子的。
中子的結(jié)構(gòu)
中子是由下夸克（d）和上夸克（u）構(gòu)成的。負責傳遞強核力的膠子會將夸克牢牢地”粘“在一起。
中子是構(gòu)成物質(zhì)的主要亞原子粒子之一，它們廣泛存在于宇宙之中。和質(zhì)子一樣，中子也被歸類為強子，是一類受強核力作用影響的粒子。
中子由三個夸克組成，兩個下夸克（d）和一個上夸克（u），下夸克攜帶??個單位電荷，上夸克攜帶+?個單位電荷，因而結(jié)合成為不帶電的中性粒子。中子不受電力作用的影響，但卻有輕微的電荷分布，由此導(dǎo)致了中子的非零磁矩（偶極矩），因此中子也能通過電磁力相互作用，但這種作用力比質(zhì)子間的要弱得多。
中子衰變之謎
兩種測量中子壽命的不同方法給出了不同的結(jié)果，但沒有人知道問題出在哪里。
中子在原子內(nèi)部是穩(wěn)定的，但自由的中子卻只能存在大約15分鐘，之后就會衰變成質(zhì)子、電子和反中微子。然而，物理學(xué)家并不知道中子的確切壽命究竟有多長。因為當他們通過兩種精確方法測量中子的壽命時，得到了不同的答案。
第一種方法被稱為“瓶”方法，研究人員將自由的中子放入一個瓶子中，然后在一段時間后計算還剩下多少個中子，測得中子平均壽命為(879.3±0.7514)秒，即14分39秒。第二種方法被稱為“束”方法，它需要把中子注入一個可以計算中子衰變時產(chǎn)生的質(zhì)子數(shù)的探測器中。這種實驗方法給出的結(jié)果是(888±2.1)秒，即14分48秒，比瓶方法多出了9秒。
中子的平均壽命在核物理學(xué)、粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)中都扮演著重要的角色?？上У氖?，物理學(xué)家至今仍無法解釋這種差異。因此，他們正試圖通過使用更加精妙的實驗儀器和設(shè)計，來接近這一問題的答案。
中子星
經(jīng)歷了超新星爆發(fā)形成的中子星擁有非常特別的內(nèi)核，但科學(xué)家尚無法知曉其核心究竟是什么樣子的。
1934年，在查德威克發(fā)現(xiàn)中子兩年之后，天文學(xué)家弗里茨·茲威基（Fritz Zwicky）和沃爾特·巴德（Walter Baade）就提出，當一顆大質(zhì)量恒星耗盡燃料，它的核心會被自身的巨大引力劇烈壓縮，最終形成了一顆極端致密的中子星。他們還提出，這種恒星核的內(nèi)爆會引發(fā)恒星外層的巨大爆發(fā)，茲威基將之稱為超新星。
60年代中期，射電天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了銀河系中的第一顆中子星，證實了茲威基的預(yù)言。
中子星的密度非常大，一個質(zhì)量約為1.4到2.5個太陽質(zhì)量的恒星，可以被壓縮成一個直徑約為20千米的城市大小的球體。然而，由于中子星的核心太過于致密，物理學(xué)家無法在實驗室中創(chuàng)造相似的條件來對其進行研究，因此并不確定在核心處究竟發(fā)生了什么。
一般說來，科學(xué)家認為中子星的最外層是一層大氣，由氫和氦等輕元素構(gòu)成；大氣層之下是一層由更重的離子（比如鐵離子）構(gòu)成的外殼；在外殼之下的一層中，離子會被壓縮成晶格；在此之下，是一層充滿了自由中子和離子的外核；而最內(nèi)核則是緊密排列的核子與完整的夸克。
中子源
散裂中子源示意圖。
從學(xué)術(shù)研究到核能項目，從醫(yī)學(xué)到石油勘探，中子的制造都具有非凡的意義。因此，設(shè)計和制造能釋放中子的中子源裝置便顯得尤為重要。中子源有很多種，其中反應(yīng)堆中子源和散裂中子源是可以產(chǎn)生高通量中子的大型核設(shè)施。
基于核反應(yīng)堆的中子源能提供穩(wěn)定、連續(xù)的中子流。而散裂中子源則需要用高能質(zhì)子束與金屬原子核發(fā)生撞擊，使金屬原子核被破壞成兩個或三個更小的原子核以及若干中子。
目前，世界上正在運行的散裂中子源有美國的SNS、英國的ISIS，以及位于瑞典的ESS等。2017年，位于廣東省的中國散裂中子源生成了第一束中子，標志著我國對中子的研究向前邁進了一大步。
自盧瑟福提出存在中子這一想法以來，100年過去了。它的提出和發(fā)現(xiàn)是20世紀原子物理發(fā)展的重要里程碑，它改變了我們對原子的認識，讓我們知道組成物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的不僅僅只有質(zhì)子和電子，還有第三種粒子。
而它的存在也很快科學(xué)家意識到，我們可以用它來偵測其他的原子核，從此開啟了以中子撞擊鈾來導(dǎo)致鈾原子核分裂、釋放出巨大能量的研究，為后來的原子彈研究奠定了基礎(chǔ)。
聯(lián)系客服
