中子和质子

中子（n）和质子（p）同为原子核的两个组成粒子（统称为核子），分别由不同的三个夸克构成。其区别是，质子带一个单位的正电荷，而中子不带电。在原子核内，通过β衰变（包括β-衰变、β+衰变和轨道电子俘获），质子和中子可互相转换：p-->n+β++ν(中微子)；n-->p+β-+ν¯（反中微子）。中子由一个带2/3e正电荷的上夸克和两个带1/3e负电荷的下夸克组成，两种夸克的电荷相互抵消，所以中子不显电性。自由中子的质量为1.6749×1024g,是电子质量的1838.68倍。中子和质子的尺寸相仿，均在2.5×10-15米数量级。自由中子是不稳定的，可通过弱相互作用衰变为质子，放出一个电子和一个反中微子，半衰期为（10.61±0.16）分。中子自旋为1/2，中子的磁矩为-1.91304275 单位核磁子。标准模型预言中子具有微小、非零的电偶极矩。

质子是氢原子核。由两个带2/3e正电荷的上夸克和一个带1/3e负电荷的下夸克组成，带一个单位正电荷，质量约1.6726×10–24g，约为电子质量的1836.15倍。质子自旋为1/2，磁矩为2.7928 单位核磁子。质子半衰期最短为 1035年。迄今为止，质子被认为是一种稳定的、不衰变的粒子。但也有理论认为质子可能衰变，只不过其寿命非常长。

中子的概念是由欧内斯特·卢瑟福(E.Rutherford)提出的，中子的存在是1932年由詹姆斯·查德威克(J.Chadwick)用α粒子轰击铍的实验中证实的。1930年，德国科学家玻特(W.Bothe)和其学生贝克(H.Becker)用镭的α-射线轰击铍原子时，发现射出的不是卢瑟福观察到的穿透力不强的质子，而是一种能穿透几英寸铅板的辐射铍辐射。1931年，让·约里奥－居里(F.&I.Jolio Curie)夫妇用强α源进行实验时，发现铍辐射能从石蜡里打出质子。当恰德威克看到约里奥居里夫妇的研究报告后，立即把铍辐射与他的老师欧内斯特·卢瑟福提到的中性粒子结合起来，用实验证明了铍辐射就是有质量的中性粒子，并定名为中子。

由于中子是电中性的，它具有很强的穿透力。电中性的中子在物质中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知。中子的穿透力强，而且对人体有危害，对中子需要进行有效的屏蔽。中子的电中性使得我们无法以电磁场来加速、减速或束缚它；自由中子仅对磁场有很微弱的作用（因为中子存在磁矩）。

中子以聚集态存在于中子星中。太阳系里的中子主要存在于各种原子核中。自由中子有着广泛的应用。由于它不带电，中子是研究核反应很好的轰击粒子，即使能量很低，也能引起核反应。中子核反应主要有：

①、中子诱发核裂变。某些重核如U俘获中子发生裂变，同时还放出2～3个瞬发中子，并释放很大的裂变能，这种中子的增殖可使裂变反应持续不断进行，形成链式裂变反应，这是获取核能的重要途径。

②、中子辐射俘获。中子被核俘获后形成复合核，然后通过放出一个或多个γ光子退激，研究γ射线的能谱可以得到复合核能级结构、辐射过程性质的信息，（ n，γ ）反应对一切稳定核都是重要的，甚至中子能量很低时也能发生，（n，γ）反应还是生产核燃料、超元素等的重要反应。

此外，还有中子的弹性散射和非弹性散射；中子被核吸收可放出 2个、3 个或多个中子的（ n，2n ）、（ n ，3n）、（ n ，xn）反应；发射带电粒子的（n，X）反应等。中子核反应在研究核结构和核反应机制及核能利用中占有重要地位。

中子具有波动性，慢中子的波长约10米，与晶体内原子间距相当。因此，中子可用来研究物质的微观结构，中子衍射是研究晶体结构的重要技术。中子在工业、技术、医学、生物、材料等诸方面有着广泛的、并在不断发展与开拓的应用，如中子活化分析、中子嬗变掺杂、中子测水、中子测井、中子照相、中子治癌、中子育种、利用中子反应生成放射性同位素等等。

1918年，欧内斯特·卢瑟福做了用α粒子轰击氮原子核的实验，发现了穿透力比α更强的粒子。发现了穿透力比α更强的粒子。他把这种粒子引进到电、磁场中，根据它在电场和磁场中的偏转，测出了它的质量和电量，确定它就是氢原子核，又叫做质子。后来，人们用同样的方法使、钠、铝等核发生了类似的转变，并且都产生了质子。由于各种核里都能轰击出质子，可见质子是原子核的组成部分。

质子常被用来在加速器中加速。通过加速器可以获得各种能量的质子。质子束有着广泛的应用。医学上质子可以用来治疗癌症，目前许多国家已建立了专用的质子加速器。质子可以用来进行材料中的杂质分析，其灵敏度很高，而且可同时分析多种元素。后来发展成了一种专门的分析技术，成为质子X-射线荧光分析（PIXE）。质子可以引起核反应，因而可以用来进行核反应和核结构研究。质子可以用来得到中子源：绝大多数单能中子源都是由质子核反应产生的；用中高能质子轰击重核，可以得到强度很大的中子束；人们利用这种散裂中子源，进行中子散射实验，对物质的微观结构和材料性质进行研究。质子还可通过核反应来制造所需要的同位素或放射性同位素。

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