中子的性质

2024-03-14 23:02:05中超02

中子的性质
导读：稳定性和β衰变中子β衰变的费曼图。经由一个W玻色子，中子衰变为一个质子，同时释放出一个电子和一个反电子中微子。中子由三个夸克构成。根据标准模型，为了保持重子数守恒，中子唯一可能的衰变途径是其中一个夸克通过弱相互作用改变其味。组成中子的三个夸

稳定性和β衰变

中子β衰变的费曼图。经由一个W玻色子，中子衰变为一个质子，同时释放出一个电子和一个反电子中微子。

中子由三个夸克构成。根据标准模型，为了保持重子数守恒，中子唯一可能的衰变途径是其中一个夸克通过弱相互作用改变其味。组成中子的三个夸克中，两个是下夸克（电荷），另外一个是上夸克（电荷）。一个下夸克可以衰变成一个较轻的上夸克，并释放出一个W玻色子。这样中子可以衰变成质子，同时释放出一个电子和一个反电子中微子。

自由中子的衰变

自由中子不稳定。据此估计其半衰期为6110±10 秒（大概10分钟11秒）。[18]中子的衰变可用以下方程描述：[19]

根据中微子、质子和电子的质量，此反应的衰变能为0782343 兆电子伏特。如果此反应中中微子的动能忽略不计的话，已测得电子的更大能量为0782±013兆电子伏特。[20]这一实验结果误差太大，无法用于估计中微子的静止质量。

有千分之一的自由中子会在生成质子、电子和中微子的同时，释放出γ射线：

这种γ射线是轫致辐射的结果。当反应中释放出的电子在质子产生的电磁场中运动时，高速运动的电子骤然减速发出的辐射。有时原子核中束缚态的中子衰变时，也会产生γ射线。

有极少量的自由中子（大概百万分之四）会发生所谓的双体衰变。在此反应中，电子在产生后未能获得足够的能量脱离质子（估计为136电子伏特），于是和质子生成一个中性的氢原子。反应的所有能量皆转化为反电子中微子的动能。

束缚态中子的衰变

不稳定原子核里的中子可以像自由中子一样衰变。但是，中子衰变的逆过程也可以发生，即逆β衰变。质子可以转变为一个中子，同时放出一个正电子和一个电子中微子：

质子还可以通过电子俘获转变成一个中子，同时放出一个电子中微子：

理论上，核内中子俘获正电子生成质子也是有可能的。但是，两个因素对此过程不利。一方面原子核带正电荷，因此同正电子同性相斥。另一方面正电子和电子相遇会发生湮灭。因此正电子俘获事件的几率很小。

因原子核内的中子受到其他因素的制约，稳定性和自由中子不尽相同。比如，如果核内一个中子衰变成质子，核内正电荷的斥力就会增大。这个斥力的势能就变成中子衰变的一个势垒。如果中子不能突破这个势垒，它就无法衰变。这也可以解释在自由状态下稳定的质子有时会在束缚态中转变为中子。

电偶极矩

标准模型预言中子具有微小但非零的电偶极矩。但是测量其数值所需的精度远远超过实验条件。[21]标准模型不可能是对物理现实的最终和最完整的描述。超越标准模型的新理论得到的数值一般要比标准模型的大得多。目，前，至少有四组实验力图测量中子的电偶极矩：

劳厄-朗之万研究所（Institut Laue–Langevin）的低温中子电偶极矩实验（CryoEDM），在建[22]

保罗·谢若研究所（Paul Scherrer Institute）的中子电偶极矩实验（nEDM），在建[23]

橡树岭国家实验室散裂中子源（Spallation Neutron Source）的中子电偶极矩实验（nEDM），拟建[24]

劳厄-朗之万研究所的中子电偶极矩实验（nEDM），在建[25]

磁矩

虽然中子是电中性粒子，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，是由布鲁斯·考克（Bruce Cork）于1956年发现，比反质子的发现晚一年时间。CPT对称理论对粒子和反粒子的性质有严格的限制，因此观测中子-反中子可以对CPT对称进行缜密的检验。中子和反中子质量差异约为9±6×10−5，仅为2σ，不足以证明CPT对称破缺。[18]

中子结构和电荷的几何分布

一篇2007年发表的文章进行了不依赖于模型的分析后作出结论，中子的外壳带负电荷，中间层带正电荷，而中心带有负电荷。[26]简单的说，中子的电负性外壳同质子相互吸引。但是，在原子核中，质子和中子之间最主要的作用力为核力。这种力跟粒子是否带电荷无关。

你好

中子也能衰变请看一个由俄罗斯、比利时和德国科学家组成的国际科研小组，首次在实验中观察到了中子衰变的新方式———放射β（beta）衰变，即一个自由中子衰变成质子、电子、反中微子和光子。有关专家指出，该科研成果对粒子物理的研究有重要意义。中子是基本粒子的一种，是原子核的组成部分。1932年，英国物理学家乍得威克首次发现了中子。中子具有与质子大约相同的质量，属于重子类，由两个底夸克和一个顶夸克构成。绝大多数的原子核都由中子和质子组成（仅有一种氢原子的同位素例外，它由一个质子构成）。在原子核外，中子性质不稳定，半衰期为15分钟。基本粒子学理论认为，所有与带电粒子碰撞的反应形式都应释放出光子。但由于光子的能量很小，技术上很难“捕获”。目前，通过实验观察到的中子衰变方式只有一种，即衰变成质子、电子和反中微子，而没有观察到释放出的光子。多年来，一个由俄罗斯、比利时和德国科学家组成的国际科研小组，一直致力于中子衰变方式的研究。最近，研究人员使用三度重合的低能粒子记录技术：同时记录电子、光子的飞行时间和质子获得的脉冲能量，首次在实验中发现了中子的一种新衰变方式———放射β衰变，即衰变成质子、电子、

氢是一种化学元素，化学符号为H，原子序数是1，在元素周期表中位于之一位。它的原子是所有原子中最细小的。氢通常的单质形态是氢气。它是无色无味无臭，极易燃烧的双原子的气体，氢气是最轻的气体。它是宇宙中含量更高的物质氢原子存在于水, 所有有机化合物和活生物中导热能力特别强，跟氧化合成水。在0摄氏度和一个大气压下，每升氢气只有009克重——仅相当于同体积空气重量的145分之一。

在常温下，氢比较不活泼，但可用催化剂活化。在高温下氢非常活泼。除稀有气体元素外，几乎所有的元素都能与氢生成化合物。

名称, 符号, 序号:氢、H、1

系列:非金属

族, 周期, 元素分区:1族, 1, s

密度、硬度:00899 kg/m3(273K)、NA

颜色和外表:无色

Image:H,1jpg

大气含量:10～4 %

地壳含量:088 %

原子属性

原子量:100794 原子量单位

原子半径:(计算值) 25（53）pm

共价半径:37 pm

范德华半径:120 pm

价电子排布:1s1

电子在每能级的排布:1

氧化价（氧化物）:1（两性的）

晶体结构:六角形

物理属性

物质状态气态

核内质子数：1

核外电子数：1

核电核数：1

质子质量：1673E-27

质子相对质量：1007

所属周期：1

所属族数：IA

摩尔质量：1

氢化物：无

氧化物：H2O

更高价氧化物：H2O

外围电子排布：1s1

核外电子排布：1

颜色和状态：无色气体

原子半径：079

常见化合价:+1,-1

熔点:14025 K （-259125 °C）

沸点:20268 K （-252882 °C）

摩尔体积:1142×10-6m3/mol

汽化热:044936 kJ/mol

熔化热:005868 kJ/mol

蒸气压:209 帕（23K）

声速:1270 m/s（29315K）

其他性质

电负性:22（鲍林标度）

比热:14304 J/(kg·K)

电导率:无数据

热导率:01815 W/(m·K)

电离能:1312 kJ/mol

最稳定的同位素

同位素丰度半衰期衰变模式衰变能量

MeV 衰变产物

1H 99985 % 稳定

2H 0015 % 稳定

3H 10-15 % /

人造 1232年 β衰变 0019 3He

4H 人造 993696×10-23秒中子释放 2910 3H

5H 人造 801930×10-23秒中子释放 4H

6H 人造 326500×10-22秒三粒中子

释放 3H

7H 人造无数据中子释放 6H

核磁公振特性

1H 2H 3H

核自旋 1/2 1 1/2

灵敏度 1 000965 121

发现

16世纪末期，瑞士化学家巴拉采尔斯把铁放在 *** 中，铁片顿时和 *** 发生激烈的化学反应，放出许多气泡——氢气。但直到1766年，氢才被英国科学家卡文迪许(Henry Cavendish)确定为化学元素，当时称为可燃空气，并证明它在空气中燃烧生成水。(一说：1783年)1787年法国化学家拉瓦锡 (Antoine Lavoisier)证明氢是一种单质并给它命名。

名称由来

希腊语 hudôr(水) gennen (造成)，意即“产生水”的物质。

中文原称“氢气”为“轻气”，“氢”属尔后新造之形声字。

日语循希腊语原义，称为“水素”

分布

在地球上和地球大气中只存在极稀少的游离状态氢。在地壳里，如果按重量计算，氢只占总重量的1%，而如果按原子百分数计算，则占17%。氢在自然界中分布很广，水便是氢的“仓库”——水中含11%的氢；泥土中约有15%的氢；石油、天然气、动植物体也含氢。在空气中，氢气倒不多，约占总体积的一千万分之五。在整个宇宙中，按原子百分数来说，氢却是最多的元素。据研究，在太阳的大气中，按原子百分数计算，氢占8175%。在宇宙空间中，氢原子的数目比其他所有元素原子的总和约大100倍。

制备

工业法有电解法、烃裂解法、烃蒸气转化法、炼厂气提取法。

纯化

随着半导体工业、精细化工和光电纤维工业的发展，产生了对高纯氢的需求。例如，半导体生产工艺需要使用99999%以上的高纯氢。但是目前工业上各种制氢 *** 所得到的氢气纯度不高，为满足工业上对各种高纯氢的需求，必须对氢气进行进一步的纯化。氢气的纯化 *** 大致可分为两类（物理法和化学法），六种 *** 。

同位素

在自然界中存在的同位素有: 氕 (氢1)、氘 (氢2, 重氢)、氚 (氢3, 超重氢)

以人工 *** 合成的同位素有: 氢4、氢5、氢6、氢7

用途

氢是重要工业原料，如生产合成氨和甲醇，也用来提炼石油，氢化有机物质作为收缩气体，用在氧氢焰熔接器和火箭燃料中。在高温下用氢将金属氧化物还原以制取金属较之其他 *** ，产品的性质更易控制，同时金属的纯度也高。广泛用于钨、钼、钴、铁等金属粉末和锗、硅的生产。

由于氢气很轻，人们利用它来 *** 氢气球。氢气与氧气化合时，放出大量的热，被利用来进行切割金属。

利用氢的同位素氘和氚的原子核聚变时产生的能量能生产杀伤和破坏性极强的氢弹，其威力比 *** 大得多。

现在，氢气还作为一种可替代性的未来的清洁能源，用于汽车等的燃料。为此，美国于2002年还提出了“国家氢动力计划”。但是由于技术还不成熟，还没有进行大批的工业化应用。2003年科学家发现，使用氢燃料会使大气层中的氢增加约4～8倍。认为可能会让同温层的上端更冷、云层更多，还会加剧臭氧洞的扩大。但是一些因素也可抵销这种影响，如使用氯氟甲烷的减少、土壤的吸收、以及燃料电池的新技术的开发等。

氢是元素周期表中的之一号元素，元素名来源于希腊文，原意是“水素”。氢是由英国化学家卡文迪许在1766年发现，称之为可燃空气，并证明它在空气中燃烧生成水。1787年法国化学家拉瓦锡证明氢是一种单质并命名。氢在地壳中的丰度很高，按原子组成占154%，但重量仅占1%。在宇宙中，氢是最丰富的元素。在地球上氢主要以化和态存在于水和有机物中。有三种同位素：氕、氘、氚。

氢在通常条件下为无色、无味的气体；气体分子由双原子组成；熔点-25914°C，沸点-2528°C，临界温度3319K，临界压力1298大气压，气体密度00899克/升；水溶解度214厘米³/千克水（0°C），稍溶于有机溶剂。

在常温下，氢比较不活泼，但可用合适的催化剂使之活化。在高温下，氢是高度活泼的。除稀有气体元素外，几乎所有的元素都能与氢生成化合物。非金属元素的氢化物通常称为某化氢，如卤化氢、硫化氢等；金属元素的氢化物称为金属氢化物，如氢化锂、氢化钙等。

氢是重要的工业原料，又是未来的能源,也是最清洁的燃料

最轻的气体——氢

氢是元素周期表中的之一号元素，它的原子是109个元素中最小的一个。由于它又轻又小，所以跑得最快，如果人们让每种元素的原子进行一场别开生面的赛跑运动，那么冠军非氢原子莫属。

氢气是最轻的气体，它的“体重”还不到空气的十四分之一，它的这种特点，很早就引起了人们的兴趣。在1780年时，法国一名化学家便把氢气充入猪的膀胱中，制成了世界上之一个、也是最原始的氢气球，它冉冉地飞向了高空。现在，人们是在橡胶薄膜中充入氢气，大量制造氢气球。

谦虚的化学家

早在十六世纪，瑞士的一名医生就发现了氢气。他说：“把铁屑投到 *** 里，就会产生气泡，像旋风一样腾空而起。”他还发现这种气体可以燃烧。然而他是一位著名的医生，病人很多，没有时间去做进一步的研究。

十七世纪时又有一位医生发现了氢气。那时人们的智慧被一种虚假的理论所蒙弊，认为不管什么气体都不能单独存在，既不能收集，也不能进行测量。这位医生认为氢气与空气没有什么不同，很快就放弃了研究。

更先把氢气收集起来并进行认真研究的是英国的一位化学家卡文迪什。

卡文迪什非常喜欢化学实验，有一次实验中，他不小心把一个铁片掉进了盐酸中，他正在为自己的粗心而懊恼时，却发现盐酸溶液中有气泡产生，这个情景一下子吸引了他，刚才的气恼心情全没了。他在努力地思考：这种气泡是从哪儿来的呢？它原本是铁片中的呢，还是存在于盐酸中呢？他又做了几次实验，把一定量的锌和铁投到充足的盐酸和稀 *** 中（每次用的 *** 和盐酸的质量是不同的），发现所产生的气体量是固定不变的。这说明这种新的气体的产生与所用酸的种类没有关系，与酸的浓度也没有关系。

卡文迪什用排水法收集了新气体，他发现这种气体不能帮助蜡烛的燃烧，也不能帮助动物的呼吸，如果把它和空气混合在一起，一遇火星就会爆炸。卡文迪什是一位十分认真的化学家，他经过多次实验终于发现了这种新气体与普遍空气混合后发生爆炸的极限。他在论文中写道：如果这种可燃性气体的含量在95％以下或65％以上，点火时虽然会燃烧，但不会发出震耳的爆炸声。

随后不久他测出了这种气体的比重，接着又发现这种气体燃烧后的产物是水，无疑这种气体就是氢气了。卡文迪什的研究已经比较细致，他只需对外界宣布他发现了一种氢元素并给它起一个名称就行了，真理的大门就要向他敞开了，幸运之神就要向他微笑了。

但卡文迪什受了虚假的“燃素说”的欺骗，坚持认为水是一种元素，不承认自己无意中发现了一种新元素，真是非常可惜。

后来拉瓦锡听到了这件事，他重复了卡文迪什的实验，认为水不是一种元素而是氢和氧的化合物。在1787年，他正式提出“氢”是一种元素，因为氢燃烧后的产物是水，便用拉丁文把它命名为“水的生成者”。

不用汽油的汽车

你们见过不用汽油的汽车吗？

也许你们会问：汽车怎么会不用汽油呢？

原来，科学家们发现汽油燃烧后会放出二氧化碳，这样下去会对环境造成污染。就设想用另一种燃料来代替汽油，科学家们经过多次实验，终于发现氢气可以代替汽油。用氢气作燃料有许多优点，首先是干净卫生，氢气燃烧后的产物是水，不会污染环境，其次是氢气在燃烧时比汽油的发热量高。

在1965年，外国的科学家们就已设计出了能在马路上行驶的氢能汽车。我国也在1980年成功地造出了之一辆氢能汽车，可乘坐12人，贮存氢材料90公斤。氢能汽车行车路远，使用的寿命长，更大的优点是不污染环境。

为什么大气中没有氢气

空气中含有很多气体，有氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气等，却很少含有氢气，这是什么原因呢？

原来氢原子是各种原子中最轻最小的一个，由于它又轻又小，所以跑起来速度最快，它是原子中的“跑步冠军”。一个在星球上运动的物体，如果它的运动速度达到一定值，那么它就可以摆脱这个星球的引力而跑到太空中去，这个速度叫做逃逸速度。地球上的逃逸速度大约是11公里／秒。氢原子速度很快，大于这个逃逸速度，因此氢气都跑到了太空中，所以地球的大气中，几乎没有氢气。

气球的妙用

十月一日国庆节，举国欢庆。首都天安门前，五颜六色、大大小小的气球高高地浮在空中，迎风飘扬，翩翩起舞，十分好看，人们都说这是“白天的焰火”。

除了欢度节日，增加愉快的气氛之外，气球还有没有其他的用处呢？

科学家很早就给我们做出了回答。

在人类漫长的历史中，经受了无数次的洪水、干旱、地震等自然灾害。古时候人们都十分迷信，认为这些都是因为自己做错了什么事触怒了上天，所以上天降下灾祸。随着科学的发展，人们逐渐认识到并没有什么天神，这些都是自然现象，而且可以对它们进行预测。

在东汉时我国人民就能预测地震，但对于洪水，却一直无能为力。洪水一来就要淹没村庄，毁坏农田，有时甚至会危害人类。怎么才能对付洪水呢？科学家研究发现，洪水是由长时间下暴雨造成的，暴雨又是从雨云中降下的。这样，只要能观测到云层的厚度和水分，就可以预报天气，人们在听到暴雨来临的消息后就会做好预防措施。这样就减轻了洪水带来的危害。

可是，云朵都飘浮在高空，人类又没有翅膀，飞不到那样的高度，怎么办呢？

在化学家发现了氢气后，这个问题一下子解决了。人们造了好多个氢气球，让它们带上观测设备，这样，人们不用上天，就可以知道天空中云层的变化，从而做出准确的天气预报。

最近一段时间，气球又有了一种新用途，利用它携带干冰、碘化银等药剂升上天空，在云朵中喷撒，可以进行人工降雨。

比金子还要贵的水

前面介绍的是普通的氢，它的原子量是1，它还有两个“能干”的大“哥哥”氘（音刀）和氚（音川）它们的原子量分别是2和3。人们有时候也把它们称为“重氢”和“超重氢”，它们与氧结合生成的水分别叫重水和超重水。

水在地球上的总重大约是140亿亿吨，其中重水还不到万分之二。为了得到一公斤重水就要消耗掉6万度电和一百吨水，这比砂里淘金花的代价要大得多，因而重水的价格要比金子贵。大自然中的重水非常少，而超重水就更加少了，在宽广无际的大海里，连十亿分之一也找不到，只有靠人工的 *** 去制造。一般是把金属锂放在原子反应堆中，在中子的轰击下，使锂转变为氚，然后与氧化合生成超重水。制造一公斤超重水要消耗近十吨的原子能量，而且生产很慢，一个工厂一年也不过制造几十公斤超重水，所以超重水的价格比重水还要贵上万倍，比金子要贵几十万倍。

表面看来，重水和一般的水没有什么两样。但脾气却大不一样，如果你用重水养金鱼，没多久鱼便死了，用重水浸过的种子不会发芽。重水的“个头”也比水大，一立方米重水比一立方米普通的水要重1056公斤。普通的水在零度时结冰，在100℃时沸腾；而重水在38℃时就变成了冰，人们把它叫做“热冰”。

虽然重水和超重水生产起来要花费很大代价，但人们还是在不断地制造着他们。这是什么缘故呢？

原来它们对人类也有很多好处。先说起重水，它有放射性，利用它的这个特性，科学家可以研究某些生物或化学过程的进展情况。比如让病人喝一点含有极少量超重水的茶，半小时后，就可以从尿中检查出放射性，一直到14天以后，放射性才消失，这说明水分在人体中停留的时间是14天。如果要研究某种化学过程中水的来龙去脉，但又不许加入别的东西来破坏化学反应，这时就可以在普通水中加入一些超重水，超重水流到哪儿，哪儿就出现放射性。科学家很容易用探测器测量出它的藏身之处。

重水是原子能工业中的重要角色，它是原子反应堆更好的减速剂和载热剂，用了它之后，就可以大大降低原子燃料的成分。重水还是重要的国防原料，氢弹就是用它来制造的，重氢在极高温度下会产生原子核的聚合反应，发生强烈的爆炸，它的能量相当于几千万吨烈性 *** 。一个普通的氢弹就能轻而易举地炸毁一座城市。如果把它爆炸时放出能量全部转换成电能，人类几十年也用不完！

飞人之死

在十八世纪八十年代初，欧洲出现了热气球，人们用它已经把鸡、鸭、羊等动物送上了天空。可是，人们对它还是心存恐惧，没有人愿意乘气球离开地面。

1783年，法国国王在科学界的一致要求下批准了用气球送人上天的计划，但要送的却是两个死刑犯。

这个消息被一个勇敢的青年知道后，他想之一次上天是一项流芳百世的壮举，怎么能把这个千载难逢的机遇让给死刑犯呢？于是他找了一个跟他一样不怕死的青年，向国王请求让他们替下死刑犯，国王被他们的勇敢打动了，准许了他们的要求。

在1783年11月21日，这两个青年乘上热气球，成功地进行了之一次用气球载人飞行，他俩顿时成了新闻人物，人们在街头巷议中纷纷把他俩称作“飞人”。

第二年，他们又计划乘气球飞越英吉利海峡。这时人们已经制出了氢气球，他们决定、把氢气球和热气球组合在一起，同时乘坐两只气球飞向英国。

这一天，他们把两只气球绑在一起，然后升上了天空。不久之后，悲剧发生了，气球发生了爆炸，他们都在事故中遇难身亡。

气球为什么会爆炸呢？

这是因为热气球下面有一个火盆，是用来给空气加热，但氢气是一种易燃易爆的气体，它一见火星就会发生爆炸，因为缺乏对氢气的了解，导致了这场灾难的发生。

氢是重要的工业原料，又是未来的能源。

元素符号:H

英文名称:Hydrogen