中子性質(zhì)

2016/11/10 13:40:16

中子β衰變的費(fèi)曼圖。經(jīng)由一個(gè)W玻色子，中子衰變?yōu)橐粋�(gè)質(zhì)子，同時(shí)釋放出一個(gè)電子和一個(gè)反電子中微子。
中子由三個(gè)夸克構(gòu)成。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，為了保持重子數(shù)守恒，中子唯一可能的衰變途徑是其中一個(gè)夸克通過弱相互作用改變其味。組成中子的三個(gè)夸克中，兩個(gè)是下夸克（電荷  ），另外一個(gè)是上夸克（電荷  ）。一個(gè)下夸克可以衰變成一個(gè)較輕的上夸克，并釋放出一個(gè)W玻色子。這樣中子可以衰變成質(zhì)子，同時(shí)釋放出一個(gè)電子和一個(gè)反電子中微子。
自由中子的衰變
自由中子不穩(wěn)定。據(jù)此估計(jì)其半衰期為611.0±1.0 秒（大概10分鐘11秒）。[18]中子的衰變可用以下方程描述：[19]
根據(jù)中微子、質(zhì)子和電子的質(zhì)量，此反應(yīng)的衰變能為0.782343 兆電子伏特。如果此反應(yīng)中中微子的動(dòng)能忽略不計(jì)的話，已測得電子的最大能量為0.782±.013兆電子伏特。[20]這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差太大，無法用于估計(jì)中微子的靜止質(zhì)量。
有千分之一的自由中子會(huì)在生成質(zhì)子、電子和中微子的同時(shí)，釋放出γ射線：
這種γ射線是軔致輻射的結(jié)果。當(dāng)反應(yīng)中釋放出的電子在質(zhì)子產(chǎn)生的電磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，高速運(yùn)動(dòng)的電子驟然減速發(fā)出的輻射。有時(shí)原子核中束縛態(tài)的中子衰變時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生γ射線。
有極少量的自由中子（大概百萬分之四）會(huì)發(fā)生所謂的雙體衰變。在此反應(yīng)中，電子在產(chǎn)生后未能獲得足夠的能量脫離質(zhì)子（估計(jì)為13.6電子伏特），于是和質(zhì)子生成一個(gè)中性的氫原子。反應(yīng)的所有能量皆轉(zhuǎn)化為反電子中微子的動(dòng)能。
束縛態(tài)中子的衰變
不穩(wěn)定原子核里的中子可以像自由中子一樣衰變。但是，中子衰變的逆過程也可以發(fā)生，即逆β衰變。質(zhì)子可以轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�(gè)中子，同時(shí)放出一個(gè)正電子和一個(gè)電子中微子：
質(zhì)子還可以通過電子俘獲轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子，同時(shí)放出一個(gè)電子中微子：
理論上，核內(nèi)中子俘獲正電子生成質(zhì)子也是有可能的。但是，兩個(gè)因素對(duì)此過程不利。一方面原子核帶正電荷，因此同正電子同性相斥。另一方面正電子和電子相遇會(huì)發(fā)生湮滅。因此正電子俘獲事件的幾率很小。
因原子核內(nèi)的中子受到其他因素的制約，穩(wěn)定性和自由中子不盡相同。比如，如果核內(nèi)一個(gè)中子衰變成質(zhì)子，核內(nèi)正電荷的斥力就會(huì)增大。這個(gè)斥力的勢能就變成中子衰變的一個(gè)勢壘。如果中子不能突破這個(gè)勢壘，它就無法衰變。這也可以解釋在自由狀態(tài)下穩(wěn)定的質(zhì)子有時(shí)會(huì)在束縛態(tài)中轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶印?BR>電偶極矩
標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言中子具有微小但非零的電偶極矩。但是測量其數(shù)值所需的精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過實(shí)驗(yàn)條件。[21]標(biāo)準(zhǔn)模型不可能是對(duì)物理現(xiàn)實(shí)的最終和最完整的描述。超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新理論得到的數(shù)值一般要比標(biāo)準(zhǔn)模型的大得多。目，前，至少有四組實(shí)驗(yàn)力圖測量中子的電偶極矩：
勞厄-朗之萬研究所（Institut Laue–Langevin）的低溫中子電偶極矩實(shí)驗(yàn)（CryoEDM），在建[22]
保羅·謝若研究所（Paul Scherrer Institute）的中子電偶極矩實(shí)驗(yàn)（nEDM），在建[23]
橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室散裂中子源（Spallation Neutron Source）的中子電偶極矩實(shí)驗(yàn)（nEDM），擬建[24]
勞厄-朗之萬研究所的中子電偶極矩實(shí)驗(yàn)（nEDM），在建[25]
磁矩
雖然中子是電中性粒子，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，是由布魯斯·考克（Bruce Cork）于1956年發(fā)現(xiàn)，比反質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)晚一年時(shí)間。CPT對(duì)稱理論對(duì)粒子和反粒子的性質(zhì)有嚴(yán)格的限制，因此觀測中子-反中子可以對(duì)CPT對(duì)稱進(jìn)行縝密的檢驗(yàn)。中子和反中子質(zhì)量差異約為9±6×10−5，僅為2σ，不足以證明CPT對(duì)稱破缺。[18]