中子的若干知識(shí)

1、中子的假設(shè)干知識(shí)上海市徐匯業(yè)余大學(xué) 曾鐵 選自?物理教師? 2021年第 12期中子是重要的根本粒子， 原子物理學(xué)和化學(xué)等的教學(xué)均涉及到它。 進(jìn)一步了解和認(rèn)識(shí)中 子有助于我們的理、 化教學(xué)，也有利于提高教學(xué)質(zhì)量。下面從幾個(gè)方面對(duì)中子做點(diǎn)介紹，供 教學(xué)中參考。1中子的根本屬性中子不是一個(gè)幾何點(diǎn)，它具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 它是費(fèi)米子，屬重子類， 由兩個(gè)下夸克和一個(gè) 上夸克組成。中子具有電荷分布，只是下、上夸克的正、負(fù)電荷抵消了，所以不帶電。中子 靜止質(zhì)量是電子質(zhì)量的 1838.6倍，它具有磁矩，有弱磁性。中子的各種能量指的是其動(dòng)能。中子單獨(dú)存在時(shí)不穩(wěn)定，自由中子的平均壽命約 15min 左右。通過弱相互作

2、用，中子衰 變時(shí)釋放一個(gè)電子、 一個(gè)反中微子成為質(zhì)子， 這樣的衰變過程在一些原子核內(nèi)也存在。 原子 核內(nèi)中子與質(zhì)子可通過吸收和釋放 T介子互相轉(zhuǎn)換。對(duì)于一定質(zhì)子數(shù)的原子核， 中子數(shù)可在一定范圍內(nèi)取幾種不同的數(shù)值， 如此就形成了一 種元素的同位素。中子只在與原子核近距離接觸時(shí)受相互作用或弱相互作用影響， 自由中子與原子核接觸 前不受任何外力影響 不計(jì)地球引力。 自由中子僅對(duì)磁場(chǎng)有極小的作用， 能有效影響中子 的只有核作用力；含氫的物質(zhì)可阻隔、控制中子及速率。中子沒有電離作用， 穿透力很強(qiáng)。 中子通過物質(zhì)， 在物質(zhì)中不與原子的束縛電子或原子 核庫侖場(chǎng)作用而游離。 因不存在庫侖勢(shì)壘的阻擋， 幾乎任何

3、能量的中子同任何核素都能發(fā)生 反響， 其中低能中子的反響起著重要作用。 中子與物質(zhì)的作用形式主要有： 同原子核發(fā)生彈 性碰撞、同核發(fā)生非彈性碰撞以及原子核反響等。中子能穿過高密度的材料， 能穿透幾厘米厚的金屬板， 它是物質(zhì)結(jié)構(gòu)或物性研究理想的 “探針和“顯微鏡。中子是核反響、核轉(zhuǎn)變的重要媒介，是翻開原子核并釋放巨大原子 核能的“鑰匙； 它還能有效地提高鈾資源的利用率和處理放射性廢棄物。中子輻射的危害 性比Y寸線強(qiáng)2.5倍。2分裂中子、瞬發(fā)中子和緩發(fā)中子核裂變新生的中子叫分裂中子， 分裂中子又分為瞬發(fā)和緩發(fā)中子延遲中子，前者占 絕大多數(shù)， 后者占很小局部。核裂變時(shí)， 處于高激發(fā)態(tài)的碎片發(fā)射的中子

4、叫瞬發(fā)中子， 局部 裂變碎片經(jīng)盧衰變發(fā)出的中子叫緩發(fā)中子。如裂變產(chǎn)物1137、Ba87等經(jīng)滾變會(huì)產(chǎn)生緩發(fā)中子。核裂變產(chǎn)生的中子，不是一次性、同步生產(chǎn)的，大局部的中子在分裂瞬間1012s內(nèi)放出，少數(shù)的那么延遲放出。U235、U233和Pu239裂變時(shí)，稍后釋放的緩發(fā)中子比例很小，能量也較小，它通常在裂變后數(shù)秒或數(shù)十秒內(nèi)釋放。緩發(fā)中子平均能量在1Mev以下，但它在慢中子裂變反響堆的控制上起著重要作用。統(tǒng)計(jì)顯示，裂變釋放的中子，瞬發(fā)中子占99.2，緩發(fā)中子占 0.8。熱中子引發(fā)U235裂變，分裂中子的能量平均為 1.95MeV,中子能量譜峰值在0.8MeV附近，其 中緩發(fā)中子的能量平均在 300ke

5、V500keV。同樣的原子核在相同條件下，每次裂變發(fā)射的中子數(shù)不固定，有的不發(fā)射中子，多數(shù)那么發(fā)射23個(gè)中子，最多可達(dá)78個(gè)。統(tǒng)計(jì)說明熱中子轟擊U235，每次裂變放出的瞬發(fā)中子最多在23個(gè)之間，平均值為2.4個(gè)。瞬發(fā)中子平均數(shù)隨不同的分裂物或引發(fā)裂變的中子能 量有較大的差異。如14MeV的中子引發(fā)U235裂變，放出的瞬發(fā)中子平均數(shù)為4.4個(gè)。除U235、Pu239等裂變產(chǎn)生中子外，锎 252自發(fā)裂變也能產(chǎn)生大量的中子。因此，锎252是一種很好的中子源，其用途較廣。3 .中子的種類與特性核反響堆里產(chǎn)生的中子有多種， 熱中子核反響堆生成的中子， 主體是熱中子，也有超熱 中子、快中子以及很強(qiáng)的恍子等

6、。標(biāo)準(zhǔn)熱中子能量是0.0253eV，相應(yīng)的中子速率為2200m/s； 快中子速率為20000m/s。慢中子波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)是10-10m;冷中子的波長(zhǎng)和晶體點(diǎn)陣間距有相同的數(shù)量級(jí)，因此它能 被晶體衍射。一般的核反響堆中，冷中子所占份額w2%。速率等于15C時(shí)氣體分子的速率，并與周圍介質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)的中子叫熱中子。它對(duì)大多數(shù)物質(zhì)具有良好的穿透性，其動(dòng)能同處在一般溫度下物質(zhì)內(nèi)分子或原子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、 擴(kuò)散等運(yùn)動(dòng)的能量相近。請(qǐng)注意，慢中子包括熱中子，但慢中子和熱中子不能劃等號(hào)。下面的表I、表2和表3,分別從3個(gè)側(cè)面介紹了中子及特點(diǎn)。熱中子引發(fā)的核裂變，其裂變產(chǎn)物包括一較輕的原子核與一較重的核，具有不對(duì)稱

7、性， 二者質(zhì)量比是2 : 3，且每次裂變生成物未必相同。熱中子引發(fā)U235或Pu239裂變，輕的分裂物集中在質(zhì)量數(shù)90100之間，較重分裂物集中在質(zhì)量數(shù)130140之間。熱中子轟擊U235 ,裂變的裂變物質(zhì)量分布不對(duì)稱可能性較大，質(zhì)量分布對(duì)稱性那么極小0.01%;中子能量越大，裂變物質(zhì)量分布對(duì)稱性越大。鈾核裂變鏈?zhǔn)椒错懰俣群芸?，統(tǒng)計(jì)說明1s內(nèi)它能產(chǎn)生1000代中子。一次鈾核裂變平均放出2.5個(gè)中子，這些中子叫第1代中子；如能至少使其中的一個(gè)中子繼續(xù)轟擊鈾核，使之裂變 就會(huì)產(chǎn)生第2代中子，第2代中子的平均能量約為 2Mev，屬快中子。1kg純U235，約經(jīng)過80 代中子就可全部裂變完。原子彈就是

8、一種利用快中子鏈?zhǔn)椒错懙谋ㄐ晕淦?，快中子可在百萬分之幾秒內(nèi)引發(fā)這種核武器爆炸。表1中子分類及其能量中子分類數(shù)值或數(shù)量級(jí)備注高能中子10MeV中能中子100eV 20keV0.005MeV 0.1MeV低能中子meV eVmeV :毫電子伏快中子20keV 10MeV0.5MeV 10MeV ; 1MeV慢中子01000eV小于1eV高超熱中子1000100000eV超熱中子0.025eV 100eV0.2 0.5MeV熱中子0.025eV冷中子v 0.005eV0.10.5MeV ;甚低能中子甚冷中子0.0001 0.0000001eV超冷中子v 0.0000001eV注：同名中子的能量值，

9、不同的書里有差異，表1是一種分類；備注中數(shù)據(jù)供參考。核裂變和其他核反響產(chǎn)生的中子，一般能量在MeV數(shù)量級(jí)。快中子反響堆內(nèi)，中子平均能量為100 keV左右，裂變中子平均能量約是 2 MeV 主要通過屢次非彈性碰撞損失能 量；熱中子反響堆內(nèi)中子的平均能量是O.OIeV左右，裂變中子主要通過屢次彈性碰撞遞減能量。表2中子飛行時(shí)間穿越距離 1 m中子時(shí)間熱中子455陽1eV中子72 pS1MeV中子72m ps慢中子只能使U235裂變，1947年錢三強(qiáng)等人在法國(guó)發(fā)現(xiàn)慢中子轟擊鈾核也有三分裂、四分裂現(xiàn)象，主要是二分裂；三分裂與二分裂之比是0.003,四分裂與二分裂之比是 0.0003?？熘凶蛹饶芤l(fā)

10、U233、U235、U238裂變，又能引發(fā) U234、U236、Th232、Np237、Pu239、 Pu240、Am241等裂變，它還是治療癌癥的有力武器。U238對(duì)6.5200eV的中子有很大的共振吸收截面，并產(chǎn)生Pu239?？熘凶愚Z擊U238能產(chǎn)生裂變，但并非所有的快中子都能使 U238 裂變；快中子也會(huì)被 U238吸收或產(chǎn)生彈性、非彈性散射而不裂變。維持鏈?zhǔn)椒错懻＿M(jìn)行的要素是熱中子，但這不是唯一的，中能中子核反響堆的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)那么主要靠中能中子維持進(jìn)行。通常，中子的核反響截面隨其能量增大而減少，即入射中子能量速率增大，它通過 靶核的時(shí)間就越短，如此形成復(fù)合核的幾率會(huì)減小表3 0.025

11、Me1MeV的中子成為熱中子的減速時(shí)間統(tǒng)計(jì)平均值減速劑時(shí)間/10-6s重水3.6輕水普通水6鑒于中子的重要性及應(yīng)用的廣泛性，已形成專門研究中子的學(xué)科中子學(xué)、中子物理學(xué)等。中子及技術(shù)等創(chuàng)造、發(fā)現(xiàn)者已屢次獲得諾貝爾獎(jiǎng)：1938年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)的費(fèi)米， 獲獎(jiǎng)原因是發(fā)現(xiàn)慢中子引起核反響，中子輻射產(chǎn)生了新放射性元素；中子星是主要由中子組成的超密度、超強(qiáng)磁場(chǎng)晚期恒星中子、質(zhì)子和電子混合體，其直徑在10km左右，引力很強(qiáng)。20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的脈沖星就是中子星。1974年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半給了脈沖星的發(fā)現(xiàn)者英國(guó)的A 赫威斯；1994年，獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的兩位物理學(xué)家，得獎(jiǎng)都和中子有 關(guān)，加拿大

12、的B 布羅克豪斯開展了中子譜學(xué)，“利用中子散射技術(shù)研究凝聚態(tài)物質(zhì)作出了 先驅(qū)奉獻(xiàn)；美國(guó)得主沙爾那么完善了中子衍射技術(shù)等。4 .中子的慢化與屏蔽核裂變放出的中子，能量較大?？熘凶油瑴p速劑的原子核屢次彈性碰撞會(huì)逐漸降低速率， 最后與減速劑等周圍物質(zhì)到達(dá)熱平衡狀態(tài)中子平均速率和周圍物質(zhì)熱運(yùn)動(dòng)速率相同，即成為熱中子。中子的慢化過程有：1對(duì)于重核A 120、中重核40W A 120 中子同核發(fā)生非彈性碰撞散射，迅速降低能量；2對(duì)于輕核A V 40 中子同核發(fā)生彈性碰撞散射，減少能量。慢化要求將快中子在最小空間里降到低能量，并要盡量使減速過程中中子數(shù)損失最小。 水、石墨、 石蠟和鈹?shù)任镔|(zhì)，都能有效減少核反

13、響堆里中子數(shù)的損失。 重水對(duì)熱中子的吸收 截面是普通水的 1/6500 ，所以它是一種很好的中子減速劑。屏蔽熱中子用中子吸收截面大、俘獲 恍子能量低的材料，如硼、鋰及其化合物等。屏蔽快中子那么先用慢化能力強(qiáng)的材料將快中子的能量降低，再用吸收截面大、俘獲恍子能量低的材料加以吸收。 基于彈性碰撞原理， 中子轟擊靶核， 靶核質(zhì)量越接近中子質(zhì)量，中子損 失的能量越小。 因此，屏蔽快中子最有效的元素是氫，常用材料是含氫成分較多的水、石蠟等。對(duì)于幾 MeV 以上的中子，可用含重核或中重核的材料，通過非彈性碰撞使其能量迅速 降低，再用含氫材料進(jìn)一步使其慢化，利用B10或Li6等吸收截面大的物質(zhì)，可使中子能量

14、因原子核反響轉(zhuǎn)換成帶電粒子的能量，中子那么被它們吸收。對(duì)中子吸收截面較大的物質(zhì)，可作中子吸收劑，如鎢、硼或硼酸等。鎘對(duì)熱中子也有較 大的吸收截面，所以熱中子不能穿過鎘片。中子減速時(shí)，當(dāng)能量在eVkeV時(shí)許多元素有相應(yīng)的受激態(tài)，因此這可增加中子被物質(zhì)吸收的幾率。核反響堆內(nèi)，除核燃料吸收熱中子外， 其他物質(zhì)也會(huì)吸收熱中子，這叫毒物吸收熱中子或中毒。鈹?shù)臒嶂凶臃@截面小 對(duì)中子的散射截面大 ，所以常用這種散射物質(zhì)做核反響堆的 結(jié)構(gòu)材料，以減少中子的逃逸與損失。5中子彈這是一種小型氫彈， 又叫中子輻射武器或強(qiáng)輻射武器， 其威力主要是放出致命的中子射 線和Y寸線等，對(duì)人和電子系統(tǒng)的殺傷性極強(qiáng)。它是強(qiáng)輻射、低當(dāng)量和弱爆炸型熱核武器， 其中子產(chǎn)額高、 能量大。 這種核武器利用氘、 氚原子核的聚變反響產(chǎn)生穿透力很強(qiáng)的高能中 子輻射，可有效殺傷一定范圍內(nèi)防護(hù)體里的人員， 但對(duì)防護(hù)體等破壞力很小 其沖擊波、可 見光輻射較弱，放