中子的若干知识

上海市徐汇业余大学 曾铁 选自《物理教师》2008年第12期

中子是重要的基本粒子，原子物理学和化学等的教学均涉及到它。进一步了解和认识中子有助于我们的理、化教学，也有利于提高教学质量。下面从几个方面对中子做点介绍，供教学中参考。

1．中子的基本属性

中子不是一个几何点，它具有内部结构。它是费米子，属重子类，由两个下夸克和一个上夸克组成。中子具有电荷分布，只是下、上夸克的正、负电荷抵消了，所以不带电。中子静止质量是电子质量的1838.6倍，它具有磁矩，有弱磁性。中子的各种能量指的是其动能。

中子单独存在时不稳定，自由中子的平均寿命约15min左右。通过弱相互作用，中子衰变时释放一个电子、一个反中微子成为质子，这样的衰变过程在一些原子核内也存在。原子核内中子与质子可通过吸收和释放π介子互相转换。

对于一定质子数的原子核，中子数可在一定范围内取几种不同的数值，如此就形成了一种元素的同位素。

中子只在与原子核近距离接触时受相互作用或弱相互作用影响，自由中子与原子核接触前不受任何外力影响（不计地球引力）。自由中子仅对磁场有极小的作用，能有效影响中子的只有核作用力；含氢的物质可阻隔、控制中子及速率。

中子没有电离作用，穿透力很强。中子通过物质，在物质中不与原子的束缚电子或原子核库仑场作用而游离。因不存在库仑势垒的阻挡，几乎任何能量的中子同任何核素都能发生反应，其中低能中子的反应起着重要作用。中子与物质的作用形式主要有：同原子核发生弹性碰撞、同核发生非弹性碰撞以及原子核反应等。

中子能穿过高密度的材料，能穿透几厘米厚的金属板，它是物质结构或物性研究理想的“探针”和“显微镜”。中子是核反应、核转变的重要媒介，是打开原子核并释放巨大原子核能的“钥匙”；它还能有效地提高铀资源的利用率和处理放射性废弃物。中子辐射的危害性比γ射线强（2.5倍）。

2．分裂中子、瞬发中子和缓发中子

核裂变新生的中子叫分裂中子，分裂中子又分为瞬发和缓发中子（延迟中子），前者占绝大多数，后者占很小部分。核裂变时，处于高激发态的碎片发射的中子叫瞬发中子，部分裂变碎片经卢衰变发出的中子叫缓发中子。如裂变产物I137、Ba87等经β衰变会产生缓发中子。核裂变产生的中子，不是一次性、同步生产的，大部分的中子在分裂瞬间（10^-12s内）放出，少数的则延迟放出。

U235、U233和Pu239裂变时，稍后释放的缓发中子比例很小，能量也较小，它通常在裂变后数秒或数十秒内释放。缓发中子平均能量在1Mev以下，但它在慢中子裂变反应堆的控制上起着重要作用。统计显示，裂变释放的中子，瞬发中子占99.2％，缓发中子占0.8％。热中子引发U235裂变，分裂中子的能量平均为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。

同样的原子核在相同条件下，每次裂变发射的中子数不固定，有的不发射中子，多数则发射2～3个中子，最多可达7～8个。统计表明热中子轰击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。瞬发中子平均数随不同的分裂物或引发裂变的中子能量有较大的差异。如14MeV的中子引发U235裂变，放出的瞬发中子平均数为4.4个。

除U235、Pu239等裂变产生中子外，锎252自发裂变也能产生大量的中子。因此，锎252是一种很好的中子源，其用途较广。

3．中子的种类与特性

核反应堆里产生的中子有多种，热中子核反应堆生成的中子，主体是热中子，也有超热中子、快中子以及很强的γ光子等。标准热中子能量是0.0253eV，相应的中子速率为2200m/s；快中子速率为20000m/s。

慢中子波长数量级是10^-10m；冷中子的波长和晶体点阵间距有相同的数量级，因此它能被晶体衍射。一般的核反应堆中，冷中子所占份额≤2％。

速率等于15℃时气体分子的速率，并与周围介质处于热平衡状态的中子叫热中子。它对大多数物质具有良好的穿透性，其动能同处在一般温度下物质内分子或原子的振动、转动、扩散等运动的能量相近。请注意，慢中子包括热中子，但慢中子和热中子不能划等号。

下面的表l、表2和表3，分别从3个侧面介绍了中子及特点。

热中子引发的核裂变，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，且每次裂变生成物未必相同。热中子引发U235或Pu239裂变，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。热中子轰击U235，裂变的裂变物质量分布不对称可能性较大，质量分布对称性则极小（0.01％）；中子能量越大，裂变物质量分布对称性越大。

铀核裂变链式反应速度很快，统计表明1s内它能产生1000代中子。一次铀核裂变平均放出2.5个中子，这些中子叫第1代中子；如能至少使其中的一个中子继续轰击铀核，使之裂变就会产生第2代中子，第2代中子的平均能量约为2Mev，属快中子。1kg纯U235，约经过80代中子就可全部裂变完。原子弹就是一种利用快中子链式反应的爆炸性武器，快中子可在百万分之几秒内引发这种核武器爆炸。

表1中子分类及其能量

注：同名中子的能量值，不同的书里有差异，表1是一种分类；备注中数据供参考。

核裂变和其他核反应产生的中子，一般能量在MeV数量级。快中子反应堆内，中子平均能量为100 keV左右，裂变中子（平均能量约是2 MeV）主要通过多次非弹性碰撞损失能量；热中子反应堆内中子的平均能量是0.01eV左右，裂变中子主要通过多次弹性碰撞递减能量。

表2中子飞行时间（穿越距离1m）

慢中子只能使U235裂变，1947年钱三强等人在法国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。

快中子既能引发U233、U235、U238裂变，又能引发U234、U236、Th232、Np237、Pu239、Pu240、Am241等裂变，它还是治疗癌症的有力武器。U238对6.5～200eV的中子有很大的共振吸收截面，并产生Pu239。快中子轰击U238能产生裂变，但并非所有的快中子都能使U238裂变；快中子也会被U238吸收或产生弹性、非弹性散射而不裂变。

维持链式反应正常进行的要素是热中子，但这不是唯一的，中能中子核反应堆的链式反应则主要靠中能中子维持进行。

通常，中子的核反应截面随其能量增大而减少，即入射中子能量（速率）增大，它通过靶核的时间就越短，如此形成复合核的几率会减小

表3 0.025Me～1MeV的中子成为热中子的减速时间（统计平均值）

鉴于中子的重要性及应用的广泛性，已形成专门研究中子的学科中子学、中子物理学等。中子及技术等发明、发现者已多次获得诺贝尔奖：1938年，诺贝尔物理学奖授予美国的费米，获奖原因是发现慢中子引起核反应，中子辐射产生了新放射性元素；中子星是主要由中子组成的超密度、超强磁场晚期恒星（中子、质子和电子混合体），其直径在10km左右，引力很强。20世纪60年代发现的脉冲星就是中子星。1974年，诺贝尔物理学奖的一半给了脉冲星的发现者英国的A•赫威斯；1994年，获诺贝尔物理学奖的两位物理学家，得奖都和中子有关，加拿大的B•布罗克豪斯发展了中子谱学，“利用中子散射技术研究凝聚态物质作出了先驱贡献”；美国得主沙尔则完善了中子衍射技术等。

4．中子的慢化与屏蔽

核裂变放出的中子，能量较大。快中子同减速剂的原子核多次弹性碰撞会逐渐降低速率，最后与减速剂等周围物质达到热平衡状态（中子平均速率和周围物质热运动速率相同），即成为热中子。中子的慢化过程有：（1）对于重核（A＞120）、中重核（40≤A≤120）——中子同核发生非弹性碰撞（散射），迅速降低能量；（2）对于轻核（A＜40）——中子同核发生弹性碰撞（散射），减少能量。

慢化要求将快中子在最小空间里降到低能量，并要尽量使减速过程中中子数损失最小。水、石墨、石蜡和铍等物质，都能有效减少核反应堆里中子数的损失。重水对热中子的吸收截面是普通水的1/6500，所以它是一种很好的中子减速剂。

屏蔽热中子用中子吸收截面大、俘获γ光子能量低的材料，如硼、锂及其化合物等。屏蔽快中子则先用慢化能力强的材料将快中子的能量降低，再用吸收截面大、俘获γ光子能量低的材料加以吸收。基于弹性碰撞原理，中子轰击靶核，靶核质量越接近中子质量，中子损失的能量越小。因此，屏蔽快中子最有效的元素是氢，常用材料是含氢成分较多的水、石蜡等。对于几MeV以上的中子，可用含重核或中重核的材料，通过非弹性碰撞使其能量迅速降低，再用含氢材料进一步使其慢化，利用B10或Li6等吸收截面大的物质，可使中子能量因原子核反应转换成带电粒子的能量，中子则被它们吸收。

对中子吸收截面较大的物质，可作中子吸收剂，如钨、硼或硼酸等。镉对热中子也有较大的吸收截面，所以热中子不能穿过镉片。中子减速时，当能量在eV～keV时许多元素有相应的受激态，因此这可增加中子被物质吸收的几率。核反应堆内，除核燃料吸收热中子外，其他物质也会吸收热中子，这叫毒物吸收热中子或中毒。

铍的热中子俘获截面小（对中子的散射截面大），所以常用这种散射物质做核反应堆的结构材料，以减少中子的逃逸与损失。

5．中子弹

这是一种小型氢弹，又叫中子辐射武器或强辐射武器，其威力主要是放出致命的中子射线和γ射线等，对人和电子系统的杀伤性极强。它是强辐射、低当量和弱爆炸型热核武器，其中子产额高、能量大。这种核武器利用氘、氚原子核的聚变反应产生穿透力很强的高能中子辐射，可有效杀伤一定范围内防护体里的人员，但对防护体等破坏力很小（其冲击波、可见光辐射较弱，放射性污染小）。

6．中子的一些应用

中子的应用非常广泛，比如，中子散射谱仪、中子透视、中子CT、中子成像、中子刀、中子传感器、中子源检测器、中子活化技术（一种痕量非破坏检测）、散裂中子源、中子镜、快中子照相（一种无损检测技术）、热中子照相、快中子放射治疗、脉冲中子源、中子探雷器、中子散射技术（利用波长为0.1nm左右的热中子测定物质微观结构）、中子水分计、天然同位素中子源和中子测井技术等，详细介绍可见有关书籍或上网查询，这里不展开、深入了。

发布时间：2009/6/23 上午9:55:28  阅读次数：18661