中子是一种不带电荷的粒子,几乎存在于每个原子的原子核中,与质子相伴。中子的直径约为 1.7 飞米,这是其磁半径——描述磁性分布范围的量——的两倍。1 飞米等于十亿分之一米的百万分之一,即 10−15 米。
大小
中子没有坚硬的表面,它由三个更小的粒子组成——一个上夸克和两个下夸克,由强力束缚在一起,强力也是把中子和质子结合成原子核的作用力。上夸克带正电,下夸克带负电,二者的电荷相互抵消。
质子的大小是根据其电荷的分布情况测出的,但这种方法对中子不适用。中子内部正负电荷的分布方式各不相同,因此按常规方法算出的电荷半径会是负数,而负数不可能是宽度。于是物理学家改用中子的磁性来测量。
中子的作用就像一块微小的磁铁。汇总全球粒子测量数据的粒子数据组给出的磁性平均半径为 0.864 飞米,精度约为 1%。散射实验也表明,中子和质子的大小大致相同。
大小比较
- 中子的大小和质子大致相同。用同样的方法——根据磁性——测量,它们的半径相差不到 2%。
- 氦原子核由两个中子和两个质子组成,直径约为 3.4 飞米,大约是单个中子宽度的两倍。
- 如果把中子放大到篮球那么大,最常见的铀同位素——含有 146 个中子和 92 个质子——的原子核,直径就会约为 1.6 米。
- 大约 600 亿个中子并排排列,宽度就相当于一根人类头发的宽度,约 0.1 毫米。
中子的发现过程
1930 年,瓦尔特·博特和赫伯特·贝克尔用阿尔法粒子——即氦原子核——轰击金属铍,铍因此释放出一种很强的穿透性辐射,一些物理学家当时认为这是一种与光同类的高能辐射。1932 年,在英国剑桥卡文迪什实验室工作的詹姆斯·查德威克证明,这种辐射其实是由质量与质子相近的中性粒子组成的。欧内斯特·卢瑟福此前曾提出,原子核中可能存在这样的粒子,它们因此被命名为中子。
由于中子不带电,原子核的正电荷不会把它排斥开。因此中子能够到达并分裂哪怕是最重的原子核,查德威克的发现也为分裂铀原子核开辟了道路。他因此获得了 1935 年诺贝尔物理学奖。
独自存在的中子
离开原子核后,中子存在的时间并不长。它平均能存活约 15 分钟(878 秒),随后衰变成一个质子、一个电子和一个叫作反中微子的粒子。中子比质子略重,大约重 0.14%。
参考资料
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- Measurement of the neutron charge radius and the role of its constituents. Atac et al., Nature Communications, 2021.
- The proton radius and its relatives – much ado about nothing?. Ulf-G. Meißner, plenary talk at the International Nuclear Physics Conference, 2022.
- Properties of Nuclei. In University Physics Volume 3. OpenStax, 2016.
- James Chadwick: Facts. Nobel Prize Outreach.
- James Chadwick: Biographical. Nobel Prize Outreach.
- Walther Bothe: Facts. Nobel Prize Outreach.
- Alpha particle rms charge radius. NIST, 2022 CODATA recommended values, 2024.
- Nuclear Charge Radii. International Atomic Energy Agency, 2013.
- Uranium. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.
- Official Basketball Rules 2026: Basketball Equipment. FIBA, 2026.