中子

中子的符号为 n，是一种不带电的亚原子粒子，与质子共同存在于大多数原子的原子核中。普通氢，即氢-1，其原子核含有一个质子，但不含中子。中子的质量略大于质子，也能以自由粒子的形式存在于原子核之外，不过自由中子并不稳定。中子是物质的重要组成部分，参与核反应、元素形成以及材料的实验研究。(energy.gov)

发现

詹姆斯·查德威克于1932年证实了中子的存在。在此之前，实验发现，用α粒子轰击铍会产生穿透力异常强的辐射。这种辐射最初被解释为高能电磁辐射，但它能从石蜡等富含氢的物质中击出高速运动的质子。查德威克考察了几种靶材料中反冲粒子的能量，证明这些观测结果符合一种不带电、质量约等于质子的粒子所参与的碰撞过程。(nobelprize.org)

欧内斯特·卢瑟福早在1920年就提出原子核中存在一种中性组分，不过他设想的质子—电子组合并非现代意义上的中子。查德威克因发现中子而获得1935年诺贝尔物理学奖。中子的发现为以质子和中子而非核内质子和电子来描述原子核提供了物理依据。(nobelprize.org)

性质与内部结构

中子的净电荷为零。其静止质量约为 $1.67493\times10^{-27}$ 千克，对应的静止能量约为939.565 MeV。尽管不带电，中子仍具有磁矩，因此能与磁场以及物质中的磁性结构相互作用。电中性并不意味着它没有电磁性质。(physics.nist.gov)

中子的自旋角动量量子数为 $1/2$，因此属于费米子。它并非基本粒子，而是一种重子，其价夸克组成为一个上夸克和两个下夸克，通常记为 udd。以质子电荷为单位，这三个夸克的电荷分别为 $+2/3$、$-1/3$ 和 $-1/3$，总和为零。中子的内部结构还包含胶子以及夸克—反夸克的贡献，因此，三个价夸克的描述并未涵盖它的全部内部成分。(misportal.jlab.org)

量子色动力学描述夸克与胶子之间的相互作用。在原子核尺度上，强相互作用的剩余效应将中子和质子束缚在一起；在更小的尺度上，实验则能分辨出其组成夸克的某些特征。这些描述适用于不同尺度，并非彼此矛盾的图景。(jlab.org)

原子核中的中子

质子数决定化学元素的种类，而中子数的不同则区分同一元素的不同同位素。例如，碳-12和碳-14都含有六个质子，但分别含有六个和八个中子。改变中子数可以显著影响原子核的稳定性，却不会改变它所属的元素。(energy.gov)

中子有助于原子核的结合，同时不会增加质子之间的静电斥力。不过，增加中子并不总能使原子核更稳定。稳定性取决于完整的质子—中子组态以及可能的衰变途径。不稳定的原子核可能通过贝塔衰变改变中子与质子的比例，也可能通过其他形式的放射性衰变释放粒子。束缚在稳定原子核内的中子不一定会发生孤立中子所特有的衰变。(energy.gov)

自由中子的衰变

自由中子会发生β⁻衰变，变成一个质子、一个电子和一个电子反中微子；电子反中微子是电子中微子对应的反粒子：

自由中子的平均寿命约为15分钟。这是衰变时间的平均值，并不意味着每个中子都会在某个固定时刻消失。对于指数衰变，半衰期等于平均寿命乘以 $\ln 2$，因此约为十分钟。(nist.gov)

实验采用互补的方法测定中子寿命。束流实验测量数量已知的中子通过装置时产生的衰变产物；储存实验，又称“瓶式”实验，则对囚禁一段时间后剩余的中子进行计数。精密测量可用于检验标准模型，并为早期宇宙元素形成的计算提供依据。不同实验方法得出的结果长期存在差异，促使研究者进一步考察其不确定度和可能的系统效应。(nist.gov)

核反应与中子的产生

中子被合适的重原子核吸收后，可以引发核裂变。裂变会释放能量和更多中子，而这些中子又能诱发后续反应。受控链式反应提供的热量可用于核能发电。反应发生的概率既取决于靶核，也取决于入射中子的能量。(energy.gov)

研究用中子由反应堆和加速器设施产生。在加速器驱动的散裂中子源中，高能质子轰击重元素靶，释放出中子。慢化剂通过碰撞使这些中子减速。热中子的能量与慢化剂的温度相对应；温度更低的慢化剂可产生波长更长的中子，适合研究尺度更大的结构。自然界中，宇宙射线相互作用和放射性过程也会产生中子。(ornl.gov)

在科学研究与宇宙中的作用

中子散射测量中子束与样品相互作用的情况。中子可用于探测原子核和磁性结构，提供与X射线方法互补的信息。中子对某些轻元素及同位素之间的差异较为敏感，因此适合研究含氢材料，也能有选择地突出复杂样品中的特定组分。(info.ornl.gov)

弹性散射揭示结构排列，而非弹性散射测量中子与原子运动及其他激发之间交换的能量。中子衍射用于研究原子和磁性有序结构；中子成像则可检查工程部件的内部特征。一些样品经中子辐照后会带有放射性，之后需要在受控条件下处理。(ornl.gov)

中子也参与核合成。在天体物理环境中，中子俘获与随后的核衰变共同形成更重的原子核。研究者在中子星并合事件GW170817抛出的物质中识别出锶，为此类并合能够产生中子俘获元素提供了直接证据。(ntrs.nasa.gov)