中性子 Neutron

原子核は、多数の陽子 Z (原子番号) と多数の中性子 N (中性子番号) が核力によって結合して形成されます。原子番号は原子の化学的性質を決定し、中性子数は同位体または核種を決定します。同位体と核種という用語は、しばしば同義語として使用され、それぞれ化学的特性と核種の特性を指します。同位体は、原子番号は同じだが中性子の数が異なる核種です。中性子の数が同じで原子番号が異なる核種をアイソトーンと呼びます。原子質量番号 A は、原子番号に中性子番号を加えたものに等しくなります。原子質量番号は同じだが、原子番号と中性子番号が異なる核種を等圧線と呼びます。 水素原子の最も一般的な同位体 (化学記号 1H) の核は、孤立陽子です。重水素同位体の重水素 (D または 2H) と三重水素 (T または 3H) の原子核には、それぞれ 1 つと 2 つの中性子に結合した 1 つの陽子が含まれています。他のすべての種類の原子核は、2 つ以上の陽子とさまざまな数の中性子で構成されます。たとえば、一般的な化学元素である鉛の最も一般的な核種である 208Pb には、82 個の陽子と 126 個の中性子があります。核種テーブルには、既知のすべての核種が含まれています。化学元素ではありませんが、中性子もこの表に含まれます。自由中性子の質量は 939565413.3 eV/c2、または 1.674927471 × 10−27 kg、または 1.00866491588 Da です。中性子は約 0.8×10−15 m、つまり 0.8 fm の平均二乗半径を持ち、スピン 1/2 フェルミ粒子です。中性子には測定可能な電荷がありません。陽子は正の電荷を持っているため、電場の影響を直接受けますが、中性子は影響を受けません。ただし、中性子には磁気モーメントがあるため、中性子は磁場の影響を受けます。中性子の磁気モーメントは、その方向が中性子のスピンと反対であるため、負になります。自由中性子は不安定で、陽子、電子、反ニュートリノに崩壊し、平均寿命は 15 分弱 (879.6±0.8 秒) です。ベータ崩壊として知られるこの放射性崩壊は、中性子の質量が陽子の質量よりわずかに大きいために発生します。自由プロトンは安定です。ただし、原子核に結合している中性子または陽子は、核種に応じて安定または不安定になることがあります。中性子が陽子に崩壊する、またはその逆のベータ崩壊は、弱い力によって支配され、電子およびニュートリノ、またはそれらの反粒子の放出または吸収を必要とします。 陽子と中性子は、原子核内の核力の影響下ではほぼ同じように動作します。陽子と中性子を同じ粒子の 2 つの量子状態とみなすアイソスピンの概念は、核力または弱い力による核子の相互作用をモデル化するために使用されます。近距離での核力の強さのため、核子の結合エネルギーは、原子内の電子を結合する電磁エネルギーよりも 7 桁以上大きくなります。したがって、核反応（核分裂など）のエネルギー密度は化学反応の 1,000 万倍以上になります。質量とエネルギーは等しいため、核結合エネルギーは原子核の質量を減少させます。結局のところ、核構成要素の電磁反発から生じるエネルギーを貯蔵する核力の能力は、原子炉や爆弾を可能にするエネルギーの大部分の基礎となっています。核分裂では、重い核種 (ウラン 235 など) による中性子の吸収により核種が不安定になり、軽い核種と追加の中性子に分裂します。正に帯電した光核種は反発し、電磁位置エネルギーを放出します。 中性子はクォークから構成される複合粒子であるため、ハドロンに分類されます。中性子は 3 つの価電子クォークで構成されているため、バリオンとしても分類されます。中性子の有限なサイズとその磁気モーメントは、中性子が素粒子ではなく複合粒子であることを示しています。中性子には、電荷 -1/3e の 2 つのダウン クォークと、電荷 +2/3e の 1 つのアップ クォークが含まれています。 陽子と同様に、中性子クォークはグルーオンを介した強い力によって結合されます。核力は、より根本的な強い力の二次的な影響から発生します。

中性子とその特性の発見の物語は、20 世紀前半に起こった核物理学の驚異的な発展の中心であり、最終的には 1945 年の原子爆弾につながりました。 1911 年のラザフォード モデルでは、原子は次のもので構成されていました。 負に帯電した電子の大きな雲に囲まれた小さな正に帯電した巨大な原子核。 1920年、アーネスト・ラザフォードは、原子核は正に帯電した陽子と中性に帯電した粒子からなり、陽子と電子は何らかの形で結合していると示唆した。ベータ線は原子核から放出された電子で構成されていることが知られていたため、電子は原子核内に存在すると考えられていました。ラザフォードが中性陽子電子複合体を提案したのとほぼ同時期に、同様の提案を記載した他の出版物がいくつか出版され、1921 年にアメリカの化学者 W. D. ハーキンスがこの仮想粒子を初めて説明しました。 「中性子」と名付けられました。この名前は、ラテン語の語根neutralisと、素粒子、つまり電子と陽子の名前に使用されるギリシャ語の接尾辞-onに由来しています。しかし、原子に関連した中性子という用語への言及は、早くも 1899 年には文献で見られます。 1920 年代を通じて、物理学者は原子核が陽子と「核電子」で構成されていると想定していましたが、明らかな問題がありました。原子核の陽子電子モデルと量子力学のハイゼンベルグ不確定性関係を調和させることは困難でした。 1928 年にオスカー クラインによって発見されたクラインのパラドックスは、原子核内に閉じ込められた電子の概念に対するさらなる量子力学的な異議を提示しました。観察された原子および分子の性質は、陽子電子仮説から予想される核スピンと一致しませんでした。陽子と電子は両方とも 1/2ħ の固有スピンを持っています。同じ種の同位体（つまり、陽子の数が同じ）は、整数スピンと分数スピンの両方を持つことができます。言い換えれば、中性子のスピンも分数 (1/2ħ) でなければなりません。しかし、電子と陽子のスピン（結合して中性子を形成すると考えられている）を配置して中性子の分数スピンを得る方法はありません。 1931 年、ワルサー ボーテとハーバート ベッカーは、ポロニウムからのアルファ粒子放射線がベリリウム、ホウ素、またはリチウムに当たると、異常な透過性の放射線を生成することを発見しました。この放射線は電場の影響を受けないため、ボーテとベッカーはそれがガンマ線であると考えました。翌年、パリのイレーヌ・ジョリオ＝キュリーとフレデリック・ジョリオ＝キュリーは、これらの「ガンマ線」がパラフィンや他の水素含有化合物に当たると、非常に高エネルギーの陽子が放出されることを示した。ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所のラザフォード氏もジェームス・チャドウィック氏も、ガンマ線の解釈には納得していなかった。チャドウィックはすぐに一連の実験を実行し、新しい放射線が陽子とほぼ同じ質量を持つ荷電していない粒子で構成されていることを示しました。これらの粒子は中性子でした。チャドウィックはこの発見により 1935 年のノーベル物理学賞を受賞しました。 陽子と中性子からなる原子核のモデルは、ヴェルナー・ハイゼンベルクらによってすぐに開発されました。陽子・中性子モデルは核スピンの謎を説明しました。ベータ線の起源は、1934 年にエンリコ フェルミによって、電子と (当時未発見の) ニュートリノを生成することによって中性子が陽子に崩壊するベータ崩壊のプロセスによって説明されました。 1935 年、チャドウィックと博士課程の学生モーリス ゴールドハーバーは、中性子の質量の最初の正確な測定を報告しました。 1934 年までに、フェルミはより重い元素に中性子を照射し、より原子番号の高い元素に放射能を誘発しました。 1938年、フェルミは「中性子照射によって生成される新しい放射性元素の存在の証明と、低速中性子によって誘発される核反応の関連発見」によりノーベル物理学賞を受賞した。 1938 年、オットー ハーン、リーゼ マイトナー、フリッツ シュトラスマンは、中性子の衝突によって引き起こされる核分裂、つまりウラン原子核が軽元素に分別されることを発見しました。 1945年、ハーンは「重原子核の分裂の発見」により1944年のノーベル化学賞を受賞した。核分裂の発見は、第二次世界大戦の終わりまでに原子力発電と原子爆弾の開発につながりました。

中性子は原子核の必須の構成要素であり、複数の陽子が含まれています。相互作用する陽子は核引力相互作用よりも強い相互電磁反発を持つため、陽子のみの原子核は不安定です (二重陽子および中性子対陽子比を参照)。中性子は核力を介して原子核内の陽子と結合し、陽子間の反発力を効果的に緩和し、原子核を安定化します。 「自由」中性子または陽子は、原子核を持たずに独立して存在する核子です。中性子は陽子よりわずかに重いため、自由中性子の陽子への崩壊は許容されますが、自由陽子の崩壊はエネルギー的に許容できません。ただし、陽子と電子またはニュートリノの間の高エネルギー衝突では中性子が発生することがあります。 ただし、原子核内に結合している中性子と陽子の両方は、ベータ崩壊プロセスを通じて崩壊する可能性があります。原子核の中の中性子と陽子は量子力学的システムを形成し、各核子は特定の階層的な量子状態に結合します。基本的なエネルギー保存と量子力学的制約によって許容される場合、原子核内の核子崩壊が発生する可能性があります。核および核種の放射性安定性は、これらの制約の結果です。 中性子および陽子崩壊反応は次のとおりです。 n0 → p+ + e− + νe ここで、p+、e−、νe は陽子、電子、および反電子ニュートリノ崩壊生成物を示します。 p+ → n0 + e++ νe ここで、n0、e+、および νe は、中性子、陽電子、および電子ニュートリノ崩壊生成物を示します。 中性子 (または陽子) が陽子 (または中性子) に変化する際に、核子がある量子状態からよりエネルギーの低い量子状態に低下するときに、放出された粒子または崩壊生成物が過剰なエネルギーを運び去ります。増加。これらの反応では、元の粒子は生成物粒子から構成されません。むしろ、反応の瞬間に生成物粒子が生成されます。

原子核の外では、自由中性子は不安定で、平均寿命は 879.6±0.8 秒 (約 14 分 40 秒) です。したがって、このプロセスの半減期 (平均寿命とは ln(2) = 0.693 倍異なります) は 610.1±0.7 秒 (約 10 分 10 秒) です。この崩壊は、陽子の質量が中性子の質量よりも小さいためにのみ可能です。このように中性子が陽子に崩壊すると、質量エネルギーの等価性により、より低いエネルギー状態が達成されます。 自由中性子の場合、このプロセスの崩壊エネルギー (中性子、陽子、および電子の質量に基づく) は 0.782343 MeV です。ベータ崩壊電子（ニュートリノが無視できる量の運動エネルギーを受け取るプロセス）の最大エネルギーは、0.782±0.013 MeV と測定されています。後者の数値は、ニュートリノの比較的小さな静止質量 (理論的には最大電子運動エネルギーから差し引かれるはずです) を決定するために十分に測定されておらず、ニュートリノの質量にはこの方法によって他の多くの制約があります。 自由中性子のごく一部 (約 1000 分の 1) は同じ生成物とともに崩壊しますが、放出されたガンマ線の形で追加の粒子が追加されます。 n0 → p++ e− + νe + γ このガンマ線は、放出されたベータ粒子と陽子の間の電磁相互作用から生じる「内部制動放射」と考えることができます。内部制動放射ガンマ線の生成も、結合中性子ベータ崩壊の小さな特徴です (以下を参照)。 非常に少数の中性子崩壊 (100 万回に約 4 回) は、いわゆる「二体 (中性子) 崩壊」です。この場合、陽子、電子、反ニュートリノは通常どおり生成されますが、電子は必要な 13.6 eV を得ることができません。陽子から逃げようとするエネルギー（水素のイオン化エネルギー）があるため、陽子は中性の水素原子（「2 つの物体」の 1 つ）として陽子に結合したままになります。このタイプの自由中性子崩壊では、中性子崩壊エネルギーのほとんどすべてが反ニュートリノ (もう 1 つの「物体」) によって持ち去られます。 (水素原子は、約 (崩壊エネルギー)/(水素の静止エネルギー) 倍の光速、つまり 250 km/s で反跳します。)

自由中性子の半減期は約 10.2 分ですが、原子核内のほとんどの中性子は安定しています。核殻モデルによれば、核種の陽子と中性子は、固有の量子数を持つ個別のエネルギー レベルに組織化された量子力学的システムです。中性子が崩壊するには、結果として生じる陽子が、初期の中性子の状態よりも低いエネルギーで利用可能な状態を必要とします。安定した原子核では、考えられるすべての低エネルギー状態が満たされており、各状態は一対の陽子 (1 つのスピンアップと 1 つのスピンダウン) によって占められています。利用可能な陽子状態がすべて満たされると、パウリの排他原理により、安定した原子核内で中性子が陽子に崩壊することが防止されます。この状況は原子内の電子に似ており、異なる原子軌道を占める電子は、光子の放出時にすでに満たされたより低いエネルギー状態に崩壊することが排他原理によって妨げられます。 不安定な原子核の中性子は、上記のようにベータ崩壊によって崩壊する可能性があります。この場合、エネルギー的に許容される量子状態が、崩壊によって生成された陽子に利用可能になります。この崩壊の例は炭素 14 (陽子 6 個、中性子 8 個) であり、これは約 5,730 年の半減期で窒素 14 (陽子 7 個、中性子 7 個) に崩壊します。 同様に、エネルギー的に許容される量子状態が中性子に対して利用可能な場合、原子核内の陽子は中性子に崩壊する可能性があります。 原子核内での陽子から中性子への変換は、電子捕獲によっても可能です。 中性子が過剰な原子核の中性子による陽電子捕獲も可能ですが、陽電子は通常の物質では比較的稀であり、電子に遭遇するとすぐに（ましてや稀ではなく）消滅してしまうため、妨げられます。いずれの場合も、陽核によって反発されます。同様ではあるがはるかにまれな反応には、逆ベータ崩壊における核子によるニュートリノの捕獲が含まれます。

3 つの競合するベータ崩壊が、半減期約 12.7 時間の単一同位体銅 64 (陽子 29 個、中性子 35 個) によって示されます。この同位体には 1 個の不対陽子と 1 個の不対中性子が含まれているため、陽子または中性子のどちらかが崩壊する可能性があります。この特定の核種は、陽子崩壊 (陽電子放出による 18%、電子捕獲による 43%) または中性子崩壊 (電子放出による 39%) を起こす確率がほぼ同じです。

素粒子物理学の標準模型の理論的枠組み内では、中性子は 2 つのダウン クォークと 1 つのアップ クォークで構成されます。バリオン数保存中性子の唯一可能な崩壊モードは、中性子のクォークの 1 つが弱い相互作用を通じてそのフレーバーを変えることです。中性子のダウン クォークの 1 つがより軽いアップ クォークに崩壊することは、W ボソンの放出によって達成できます。ベータ崩壊の標準モデルで説明されているこのプロセスは、中性子を陽子（ダウン クォーク 1 つとアップ クォーク 2 つを含む）、電子、および反電子ニュートリノに崩壊させます。 陽子の中性子への崩壊も同様に、弱い力によって引き起こされます。陽子のアップ クォークの 1 つがダウン クォークに崩壊することは、W ボソンの放出によって達成できます。陽子は中性子、陽電子、電子ニュートリノに崩壊します。この反応は、生成される中性子の利用可能なエネルギーよりも低いエネルギーの量子状態を持つ原子核でのみ起こります。

中性子の質量は電荷を持たないため、質量分析法で直接測定することはできません。ただし、陽子と重陽子の質量は質量分析計で測定できるため、中性子の質量は、重陽子の質量から陽子の質量を引くことによって推定できます。その差は、中性子の質量に重水素の結合エネルギーを加えたものになります。素晴らしいことになるでしょう。 (正の放出エネルギーとして表されます)。後者は、エネルギーを測定することで直接測定できます ( B. d B_{d} ）中性子を捕獲した陽子によって重陽子が形成されるときに放出される単一の 2.224 MeV ガンマ光子（これは発熱であり、ゼロエネルギー中性子で発生します）。反動運動エネルギーが小さい ( E. r d E_{rd} ) 重陽子 (総エネルギーの約 0.06%) も考慮する必要があります。 メートル n = メートル d − メートル p + B. d − E. r d {\displaystyle m_{n}=m_{d}-m_{p}+B_{d}-E_{rd}} ガンマ線のエネルギーは、1948 年にベルとエリオットによって初めて行われたように、X 線回折技術によって高精度で測定できます。この技術による中性子質量の最新 (1986 年) 値は、Greene らによって提供されています。 。これらの中性子の質量は次のようになります。 mneutron = 1.008644904(14) DaMeV 単位の中性子質量の値は、Da から MeV/c2 への変換が不正確であることが知られているため、あまり正確にはわかりません。 μ中性子 = 939.56563(28) MeV/c2。中性子の質量を決定する別の方法は、中性子のベータ崩壊から始まり、その結果生じる陽子と電子の運動量が測定されます。

中性子の総電荷は 0e です。このゼロ値は実験的にテストされており、中性子電荷の現在の実験限界は -2(8)×10-22 e、または -3(13)×10-41 ℃です。この値はゼロと一致します。実験の不確実性が考慮される場合 (括弧内に示されています)。比較すると、陽子の電荷は +1 e です。

中性子は中性粒子であっても、中性子の磁気モーメントはゼロではありません。中性子は電場の影響を受けませんが、磁場の影響を受けます。中性子磁気モーメントの値は、1940 年にカリフォルニア州バークレーのルイス アルバレスとフェリックス ブロックによって初めて直接測定されました。 Alvarez と Bloch は、中性子の磁気モーメントを μn= −1.93(2) μN と決定しました。ここで、μN は核磁子です。 中性子の磁気モーメントは、そのクォーク基礎構造と内部電荷分布を示します。ハドロンのクォークモデルでは、中性子は 1 つのアップ クォーク (電荷 +2/3 e) と 2 つのダウン クォーク (電荷 -1/3 e) で構成されます。中性子の磁気モーメントは、その構成要素であるクォークの磁気モーメントの合計としてモデル化できます。この計算では、クォークが点状のディラック粒子のように振る舞い、それぞれが独自の磁気モーメントを持つと仮定しています。単純化すると、中性子の磁気モーメントは、3 つのクォーク磁気モーメントと、中性子内の 3 つの荷電クォークの運動によって引き起こされる軌道磁気モーメントのベクトル和から生じるものとみなすことができます。 1964 年の標準モデルの初期の成功の 1 つとして、Mirza A.B. Beg、Benjamin W. Lee、Abraham Pais は、陽子と中性子の磁気モーメントの比を理論的に -3/2 と計算しました。これは実験値と3%以内で一致しています。この比率の測定値は -1.45989805(34) です。上記のプロセスでは、中性子と陽子を比較することにより、モデル間でクォークの複雑な挙動を差し引いて、異なるクォーク電荷 (またはクォークの種類) の影響がどのようなものであるかを調べることができます。それだけ。 ）。このような計算は、陽子のアップ クォークを中性子のダウン クォークに置き換えることによるクォーク組成の違いを除いて、中性子の内部が陽子の内部と非常に似ていることを示すのに役立ちます。十分です。 中性子の磁気モーメントは、3 つのクォークから構成されるバリオンの単純な非相対論的な量子力学的波動関数を仮定することによって大まかに計算できます。簡単な計算で、中性子、陽子、その他のバリオンの磁気モーメントをかなり正確に推定できます。中性子の場合、この計算により中性子の磁気モーメントは μn= 4/3 μd − 1/3 μu で与えられます。ここで、μd とμu はそれぞれダウンクォークとアップクォークの磁気モーメントです。この結果は、3 つのクォークが特定の支配的な量子状態にあると仮定して、クォークの固有磁気モーメントと軌道磁気モーメントを組み合わせたものです。 この計算結果は有望ですが、アップクォークまたはダウンクォークの質量は核子の質量の 1/3 であると想定されました。実際、クォークの質量は核子の約 1% に過ぎません。この矛盾は、核子の標準モデルの複雑さに起因しており、核子の質量の大部分は、強力な力の本質的な側面であるグルーオン場、仮想粒子、およびそれらに関連するエネルギーに由来します。増加。さらに、中性子を構成するクォークとグルーオンの複雑な系は相対論的な扱いを必要とします。しかし、核子の磁気モーメントは、言及されたすべての効果を含み、より現実的なクォーク質量の値を使用する第一原理に基づいて数値的に計算されることに成功しました。計算では測定結果とほぼ一致する結果が得られましたが、大量のコンピューティング リソースが必要でした。

中性子はスピン 1/2 の粒子、つまり 1/2 ħ に等しい固有角運動量を持つフェルミ粒子です。ここで、ħ は換算されたプランク定数です。中性子の発見から何年もの間、その正確な回転は不明のままでした。それはスピン 1/2 のディラック粒子であると想定されましたが、中性子がスピン 3/2 粒子である可能性は依然として残りました。中性子の磁気モーメントと外部磁場の相互作用を利用して、中性子のスピンが最終的に決定されました。 1949 年、ヒューズとバーギーは強磁性ミラーから反射された中性子を測定し、反射の角度分布がスピン 1/2 と一致していることを発見しました。 1954 年、シャーウッド、スティーブンソン、バーンスタインは、磁場を使用して中性子のスピン状態を分離するスターン・ガーラッハ実験で中性子を使用しました。彼らは、スピン 1/2 粒子と一致する 2 つのそのようなスピン状態を記録しました。フェルミ粒子として、中性子はパウリの排他原理の対象となります。 2 つの中性子が同じ量子数を持つことはできません。これは、中性子星の重力に対抗し、ブラック ホールの形成を防ぐ縮退圧力の源です。

2007 年に発表されたモデルに依存しない解析を特徴とする論文では、中性子は負に帯電した外部、正に帯電した中心、および負の核を持つと結論付けられました。単純化された古典的な見方では、中性子の負の「スキン」は、原子核内で相互作用する陽子に引き寄せられるのに役立ちます。しかし、中性子と陽子の間の主な引力は、電荷を伴わない核力によるものです。 中性子の電荷分布の単純化された古典的な見方は、中性子の磁気双極子が（陽子の場合と比較して）スピン角運動量ベクトルと反対の方向を向いているという事実も「説明」します。 。これにより、実際には、中性子に負に帯電した粒子と同様の磁気モーメントが与えられます。これは古典的に、中性子の負のサブ部分がより大きな平均分布半径を持ち、したがって粒子の磁気双極子モーメントにより多く寄与する電荷分布で構成される中性子と調和させることができます。 、平均してコアに近い。

素粒子物理学の標準モデルは、中性子内の正電荷と負電荷がわずかに分離すると、永久的な電気双極子モーメントが生じると予測しています。ただし、予測値は現在の実験の感度を大幅に下回っています。素粒子物理学におけるいくつかの未解決のパズルから、標準模型がすべての粒子とその相互作用の決定的かつ完全な記述ではないことは明らかです。標準理論を超える新しい理論は、一般に、中性子の電気双極子モーメントのより大きな予測につながります。現在、有限中性子の電気双極子モーメントを初めて測定しようとする実験が少なくとも4件行われている。 ラウエ・ランジュバン研究所で極低温中性子放電加工実験開始 ポール・シェラー研究所の新しいUCN源でnEDM実験が建設中 核破砕中性子源でのnEDM実験の計画 ラウエ・ランジュバン研究所で建設中のnEDM実験

反中性子は中性子の反粒子です。反陽子が発見された翌年の1956年にブルース・コークによって発見されました。 CPT対称性は粒子と反粒子の相対的特性に強い制約を課すため、反中性子の研究はCPT対称性の厳密なテストを提供します。中性子と反中性子の質量間の分数差は (9±6)×10−5 です。その差はゼロから約 2 標準偏差しか離れていないため、これは CPT 違反の説得力のある証拠を与えません。

CNRS核物理研究所のフランシスコ・ミゲル・マルケス率いるチームは、ベリリウム14原子核の崩壊の観察に基づいて、4つの中性子からなる安定したクラスター、つまり4つの中性子が存在するという仮説を立てている。現在の理論では、これらのクラスターは安定していないはずであることが示唆されているため、これは特に興味深いです。 2016年2月、日本の物理学者下浦進と東京大学の同僚は、4つの中性子と考えられるものの最初の実験観察を報告した。世界中の核物理学者らは、この発見が確認されれば、核物理学の分野における画期的な出来事となり、核力についての理解が確実に前進するだろうと述べている。中性子も仮説上の粒子です。 2012年、ミシガン州立大学のArtemis Spirowらは、16Beの崩壊中に中性子放出が初めて観察されたことを報告した。中性子の特性は、2 つの中性子の間の放射角が小さいことによって証明されます。著者らは、この質量領域における標準的な相互作用を使用して、シェル モデルの計算とよく一致して、2 中性子分離エネルギー 1.35(10) MeV を決定しました。

非常に高い圧力と温度では、核子と電子は崩壊して中性子と呼ばれるバルクの中性子物質になると考えられています。これは中性子星で起こると考えられています。 中性子星の内部の極度の圧力により、中性子が立方体対称に変形し、より高密度になる可能性があります。

イオン化軌道を探すことで荷電粒子を検出する一般的な手段 (霧箱など) は、中性子には直接機能しません。原子から弾性散乱する中性子は検出可能なイオン化軌道を生成しますが、実験はそれほど単純ではありません。中性子を原子核と相互作用させるなど、中性子を検出する他の手段がより一般的に使用されます。したがって、中性子を検出するために一般的に使用される方法は、依存する核プロセス、主に中性子捕捉または弾性散乱に従って分類できます。

中性子を検出する一般的な方法には、中性子捕捉反応から放出されるエネルギーを電気信号に変換することが含まれます。特定の核種は、中性子を吸収する確率である中性子捕獲断面積が高くなります。中性子を捕捉すると、複合原子核はアルファ粒子など、より容易に検出できる放射線を放出し、それが検出されます。核種 3He、6Li、10B、233U、235U、237Np、および 239Pu がこの目的に役立ちます。

中性子は原子核から弾性的に散乱し、衝突した原子核を反動させます。運動学的に、中性子は、より重い原子核よりも、水素やヘリウムなどのより軽い原子核に、より多くのエネルギーを移動させることができます。弾性散乱に依存する検出器は高速中性子検出器と呼ばれます。反動する原子核は、衝突を通じてさらに原子をイオン化し、励起する可能性があります。このようにして生成された電荷および／またはシンチレーション光を収集して、検出信号を生成することができる。高速中性子検出における主な課題は、そのような信号を、同じ検出器内でガンマ線によって生成されるスプリアス信号から区別することである。パルス形状弁別などの方法を使用して中性子信号をガンマ線信号から区別することができますが、特定の無機シンチレーターベースの検出器は追加の技術を必要とせずに混合放射線場で本質的に中性子を検出します。選択的検出のために開発されました。 高速中性子検出器には減速材を必要としないという利点があるため、中性子のエネルギー、到達時間、場合によっては入射方向を測定できます。

自由中性子ビームは、中性子輸送によって中性子源から得られます。強力な中性子源にアクセスするには、研究者は研究用原子炉や核破砕源を操作する専門の中性子施設に行かなければなりません。 中性子の総電荷が不足すると、中性子の操縦と加速が困難になります。荷電粒子は、電場または磁場によって加速、減速、または偏向されます。これらの方法は中性子にはほとんど影響を与えません。ただし、中性子の磁気モーメントにより、不均一な磁場の使用によりいくつかの利点が得られる可能性があります。中性子は、減速、反射、速度選択などの方法で制御できます。熱中性子は、光子のファラデー効果と同様の方法で磁性材料を貫通することによって偏極させることができます。磁気ミラーと磁化干渉フィルターを使用すると、波長 6 ～ 7 オングストロームの冷中性子を高度に偏光したビームで生成できます。

中性子は多くの核反応において重要な役割を果たします。たとえば、中性子の捕捉は、多くの場合、中性子放射化を引き起こし、放射能を誘発します。特に、中性子とその挙動に関する知識は、原子炉や核兵器の開発において重要です。ウラン 235 やプルトニウム 239 などの元素の核分裂は、中性子の吸収によって引き起こされます。 冷中性子、熱中性子、および熱中性子放射は、中性子回折、小角中性子散乱、および中性子反射率測定のための中性子散乱施設で一般的に使用されます。遅い中性子物質の波は、反射、屈折、回折、干渉など、光の幾何学的光学および波動光学に似た特性を示します。中性子は、散乱断面積が異なるため、原子のコントラストの点で X 線を補完します。磁気に対する過敏症。非弾性中性子分光法のエネルギー範囲。そして物質への深い浸透。 中空のガラス毛細管における内部全反射、またはディンプル加工されたアルミニウム板からの反射に基づいた「中性子レンズ」の開発により、中性子顕微鏡および中性子/ガンマ線トモグラフィーにおける継続的な研究が推進されてきました。中性子の主な用途は、遅延ガンマ線と即時ガンマ線を励起することです。マテリアル内の要素からの光線。これは、中性子放射化分析 (NAA) および即時ガンマ中性子放射化分析 (PGNAA) の基礎を形成します。 NAA は原子炉内の材料の少量サンプルの分析に最もよく使用され、PGNAA はボーリング孔周囲の地下岩石やベルトコンベア上の工業用バルク材料の分析に最もよく使用されます。 中性子放出体の別の用途は、光核、特に水分子に含まれる水素の検出です。高速中性子が軽い原子核に衝突すると、そのエネルギーのほとんどが失われます。遅い中性子が水素原子核から反射した後にプローブに戻る速度を測定することにより、中性子プローブは土壌中の水分含有量を測定できる可能性があります。

中性子線は透過性と電離性の両方を備えているため、医療に役立ちます。ただし、中性子線は患部を放射性物質にするという残念な副作用を引き起こす可能性があります。したがって、中性子断層撮影法は医療用途には実用的ではありません。 高速中性子療法は、通常 20 MeV 以上の高エネルギー中性子を使用してがんを治療します。がんの放射線療法は、電離放射線に対する細胞の生物学的反応に基づいています。がん領域に損傷を与えるために少量の放射線が照射されると、正常組織は自己修復する時間がありますが、腫瘍細胞は修復できないことがよくあります。中性子線は、ガンマ線よりも一桁速い速度でがん領域にエネルギーを届けることができます。低エネルギー中性子のビームは、がんを治療するためのホウ素中性子捕捉療法に使用されます。ホウ素中性子捕捉療法では、ホウ素を含む薬剤が患者に投与され、標的の腫瘍に優先的に蓄積します。次に、腫瘍に非常に低エネルギーの中性子（多くの場合熱エネルギーより高い）が照射され、中性子はホウ素中のホウ素 10 同位体によって捕捉され、ホウ素 11 の励起状態が生成され、その後崩壊します。リチウム 7 およびリチウム 7 は、悪性細胞を殺すのに十分なエネルギーを持つアルファ粒子によって生成されますが、近くの細胞に損傷を与えるには不十分な範囲です。このような療法を癌の治療に応用するには、１ｃｍ ２ 当たり毎秒１０ ９ 中性子程度の強度を有する中性子源が好ましい。このようなフラックスには研究用原子炉が必要です。

自由中性子への曝露は危険な場合があります。これは、中性子と体内の分子との相互作用により、分子や原子の破壊が引き起こされる可能性があり、また、他の形態の放射線 (陽子など) を生成する反応も引き起こされる可能性があるためです。放射線防護のための通常の予防措置が適用されます。暴露を避け、放射線源からできるだけ離れて、暴露時間を最小限に抑えてください。ただし、中性子曝露から身を守る方法については特別な考慮が必要です。アルファ粒子、ベータ粒子、ガンマ線などの他の種類の放射線の場合、原子番号が高く密度が高い材料は良好なシールドを提供します。鉛がよく使われます。ただし、中性子の吸収はアルファ線、ベータ線、ガンマ線のように原子番号に応じて直接増加しないため、このアプローチは中性子には機能しません。代わりに、中性子が物質と持つ特定の相互作用に焦点を当てる必要があります (上記の検出に関するセクションを参照)。たとえば、通常の水素は中性子を散乱させて速度を低下させるため、中性子を遮蔽するために水素を豊富に含む材料がよく使用されます。これは、単純なコンクリートブロックやパラフィン充填プラスチックブロックであっても、はるかに密度の高い材料よりも中性子を防ぐことができることを意味します。速度が低下した後、中性子は、二次捕獲放射線を引き起こすことなく、リチウム 6 などの低速中性子に対して高い親和性を持つ同位体によって吸収されます。 水素が豊富な普通の水は、核分裂炉の中性子吸収に影響を与えます。通常、中性子は普通の水に非常に強く吸収されるため、核分裂性同位体による燃料濃縮が必要になります。 (核分裂ごとに生成される中性子の数は、主に核分裂生成物によって異なります。平均して約 2.5 ～ 3.0 個で、核連鎖反応を維持するには平均して少なくとも 1 個が捕捉を逃れる必要があります。) 重水中の重水素中性子に対する吸収親和性は、プロチウム（通常の水素）よりもはるかに低いです。したがって、重水素は、中性子捕獲と比較して中性子を（適度に）遅くし、核分裂の確率を高めるためにCANDU型原子炉で使用されます。

熱中性子は、室温でのエネルギーが kT = 0.0253 eV (4.0×10−21 J) であるマクスウェル-ボルツマン分布を持つ自由中性子です。これにより、特性速度 (平均値または中央値ではありません) が 2.2 km/s となります。 「熱」という名前は、そのエネルギーが室温のガスまたは物質に浸透するエネルギーであるという事実に由来しています。 (分子のエネルギーと速度については運動理論を参照)。原子核と何度も衝突した後（多くの場合 10 ～ 20 回）、中性子は吸収されない限りこのエネルギー レベルに達します。 多くの材料では、熱中性子反応は、より速い中性子が関与する反応よりもはるかに大きな有効断面積を示すため、熱中性子は衝突する原子核によってより容易に（つまり、より可能性が）吸収されます。 、より重い核を生成します。その結果、化学元素の同位体は不安定になることがよくあります。 ほとんどの核分裂炉は、中性子減速材を使用して、核分裂によって放出される中性子を減速または熱化し、中性子がより容易に捕捉され、さらなる核分裂を引き起こすようにします。高速増殖炉と呼ばれる他の原子炉は、核分裂エネルギーとして中性子を直接使用します。

冷中性子は、液体重水素などの非常に冷たい物質中で平衡状態にある熱中性子です。このような極低温源は、研究炉の減速材または破砕源に設置されます。冷中性子は、中性子散乱実験にとって特に価値があります。冷中性子および極冷中性子（VCN）の使用は、光束が比較的低いことと光学部品が不足しているため、熱中性子の使用に比べてある程度制限されてきました。しかし、VCNの使用を促進するためのより多くの選択肢を科学界に提供する革新的なソリューションが提案されています。

超冷中性子は、固体重水素や超流動ヘリウムなど、数ケルビンの温度で小さな中性子吸収断面積を持つ材料内での冷中性子の非弾性散乱によって生成されます。別の生成方法は、ドップラー シフトを使用した冷中性子の機械的減速です。

高速中性子は、1 MeV (1.6×10−13 J) に近い運動エネルギーレベルを持つ自由中性子であり、したがって、約 14000 km/s (光速の約 5%) の速度を持ちます。これらは、宇宙シャワーや加速器で生成される低エネルギーの熱中性子や高エネルギー中性子と区別するために、核分裂エネルギーまたは高速中性子と名付けられています。高速中性子は、核分裂などの核プロセスによって生成されます。上で述べたように、核分裂で生成された中性子は、0 ～ 14 MeV の運動エネルギーのマクスウェル ボルツマン分布、平均エネルギー 2 MeV (235U 核分裂中性子の場合)、およびわずか 0.75 MeV のモードを持ちます。それらの半分未満はそれほど速くありません（したがって、238Uや232Thなどの肥沃な物質で核分裂を開始する可能性は低いです）。 高速中性子は、減速と呼ばれるプロセスを通じて熱中性子に変えることができます。これは中性子減速材を使用して行われます。原子炉は通常、中性子を緩和するために重水、軽水、または黒鉛を使用します。

D-T (重水素-三重水素) 核融合は、運動エネルギー 14.1 MeV で光速の 17% で移動する最もエネルギーの高い中性子を生成する核融合反応です。 D-T 核融合は、最も点火しやすい核融合反応でもあり、重水素および三重水素原子核の運動エネルギーが生成される 14.1 MeV の 1,000 分の 1 しかないにもかかわらず、ピーク速度近くに達します。 14.1 MeV 中性子は核分裂中性子の約 10 倍のエネルギーを持ち、非核分裂性の重い原子核でも核分裂させるのに非常に効果的であり、これらの高エネルギー核分裂は平均して低エネルギー中性子による核分裂よりも高くなります。より多くの中性子を生成します。これにより、提案されているトカマク発電炉などの D-T 核融合中性子源が超ウラン廃棄物の核変換に有用になります。 14.1 MeV 中性子は、原子核から中性子を放出することによって中性子を生成することもできます。 一方で、これらの非常に高エネルギーの中性子は、核分裂や破砕を引き起こさずに単純に捕捉される可能性が低くなります。これらの理由から、D-T 核融合 14.1 MeV 中性子は、より多くの核分裂を引き起こすために核兵器の設計に広く使用されています。核融合中性子は、熱核兵器のジャケットに使用される劣化ウラン (ウラン 238) など、通常は核分裂しない物質の核分裂を引き起こす可能性があります。核融合中性子は、原子炉級プルトニウムなど、一次核分裂爆弾を作るのが不適当または困難な物質の核分裂も引き起こす可能性があります。したがって、この物理的事実は、特定の拡散に関する議論や条約において、通常の非兵器級物質を懸念事項にしています。 他の核融合反応では、はるかに低いエネルギーの中性子が生成されます。 D-D 核融合では、半分の時間で 2.45 MeV 中性子とヘリウム 3 が生成され、残りの時間ではトリチウムと陽子が生成されますが、中性子は生成されません。 D-3He核融合では中性子は発生しません。

減速したがまだ熱エネルギーに達していない核分裂エネルギー中性子は、熱外中性子と呼ばれます。 捕獲反応断面積と核分裂反応断面積の両方に、発熱エネルギー範囲内の特定のエネルギーで複数の共鳴ピークが存在することがよくあります。これらには、ほとんどの中性子がこの範囲に減速される前に吸収される高速中性子炉や、熱外中性子が核分裂性核種やプロトアクチニド核種ではなく主に減速核と相互作用する十分に減速された熱炉が含まれます。炉では、それはそれほど重要ではありません。 。しかし、熱外中性子と重金属原子核間の相互作用がより強い部分的に減速された原子炉では、反応度の一時的な変化の可能性が大きくなり、原子炉の制御がより困難になる可能性があります。性質があります。 プルトニウム 239 などのほとんどの核燃料は、核分裂反応に対する捕獲反応の比率も低く (核分裂を伴わない捕獲が多い)、1 つの捕獲中性子を廃棄物として捕獲するだけでなく、通常、これらの燃料を使用する外部熱スペクトル炉はあまり望ましくありません。それらの結果のせいで。熱中性子または熱外中性子では核分裂しないが、高速中性子では依然として核分裂する核種。例外はトリウムサイクルのウラン 233 であり、すべての中性子エネルギーで良好な捕捉核分裂率を示します。

高エネルギー中性子は、核分裂エネルギー中性子よりもはるかに多くのエネルギーを持ち、粒子加速器によって、または大気中で宇宙線から二次粒子として生成されます。これらの高エネルギー中性子はイオン化効率が極めて高く、X 線や陽子よりも細胞死を引き起こす可能性がはるかに高くなります。

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中性子爆弾 中性子回折 中性子束 中性子輸送 宇宙生成放射性核種年代測定

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