中子性質

2016/11/10 13:40:16

中子β衰變的費曼圖。經由一個W玻色子，中子衰變為一個質子，同時釋放出一個電子和一個反電子中微子。
中子由三個夸克構成。根據標準模型，為了保持重子數守恒，中子唯一可能的衰變途徑是其中一個夸克通過弱相互作用改變其味。組成中子的三個夸克中，兩個是下夸克（電荷  ），另外一個是上夸克（電荷  ）。一個下夸克可以衰變成一個較輕的上夸克，并釋放出一個W玻色子。這樣中子可以衰變成質子，同時釋放出一個電子和一個反電子中微子。
自由中子的衰變
自由中子不穩定。據此估計其半衰期為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]
根據中微子、質子和電子的質量，此反應的衰變能為0.782343 兆電子伏特。如果此反應中中微子的動能忽略不計的話，已測得電子的最大能量為0.782±.013兆電子伏特。[20]這一實驗結果誤差太大，無法用于估計中微子的靜止質量。
有千分之一的自由中子會在生成質子、電子和中微子的同時，釋放出γ射線：
這種γ射線是軔致輻射的結果。當反應中釋放出的電子在質子產生的電磁場中運動時，高速運動的電子驟然減速發出的輻射。有時原子核中束縛態的中子衰變時，也會產生γ射線。
有極少量的自由中子（大概百萬分之四）會發生所謂的雙體衰變。在此反應中，電子在產生后未能獲得足夠的能量脫離質子（估計為13.6電子伏特），于是和質子生成一個中性的氫原子。反應的所有能量皆轉化為反電子中微子的動能。
束縛態中子的衰變
不穩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生，即逆β衰變。質子可以轉變為一個中子，同時放出一個正電子和一個電子中微子：
質子還可以通過電子俘獲轉變成一個中子，同時放出一個電子中微子：
理論上，核內中子俘獲正電子生成質子也是有可能的。但是，兩個因素對此過程不利。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發生湮滅。因此正電子俘獲事件的幾率很小。
因原子核內的中子受到其他因素的制約，穩定性和自由中子不盡相同。比如，如果核內一個中子衰變成質子，核內正電荷的斥力就會增大。這個斥力的勢能就變成中子衰變的一個勢壘。如果中子不能突破這個勢壘，它就無法衰變。這也可以解釋在自由狀態下穩定的質子有時會在束縛態中轉變為中子。
電偶極矩
標準模型預言中子具有微小但非零的電偶極矩。但是測量其數值所需的精度遠遠超過實驗條件。[21]標準模型不可能是對物理現實的最終和最完整的描述。超越標準模型的新理論得到的數值一般要比標準模型的大得多。目，前，至少有四組實驗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驗（CryoEDM），在建[22]
保羅·謝若研究所（Paul Scherrer Institute）的中子電偶極矩實驗（nEDM），在建[23]
橡樹嶺國家實驗室散裂中子源（Spallation Neutron Source）的中子電偶極矩實驗（nEDM），擬建[24]
勞厄-朗之萬研究所的中子電偶極矩實驗（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年發現，比反質子的發現晚一年時間。CPT對稱理論對粒子和反粒子的性質有嚴格的限制，因此觀測中子-反中子可以對CPT對稱進行縝密的檢驗。中子和反中子質量差異約為9±6×10−5，僅為2σ，不足以證明CPT對稱破缺。[18]