中子物理学，是研究中子与各种物质间的相互作用的近代物理学的一个分支。论述了有关中子学科的基本实验方法、中子与原子核的相互作用、中子在物质中输运与中子在相关学科与技术中的应用。

中文名：中子物理学

外文名：Neutron physics

研究方向：研究中子与各种物质间的相互作用

相关人物：恩里科·费米

应用方向：在原子动力和国防上都很重要

大致可分为：

（1）宏观中子物理：研究各种能量的中子在宏观物质中的运动规律。

（2）微观中子物理：研究各种能量的中子与分子、原子和核间的相互作用。

此学科的研究，例如中子辐射武器（中子弹）的研制。并开辟了同位素在各学科和生厂中的应用，还可探索新的利用原子能力方法的重要途径。

恩里科·费米（Enrico Fermi，1901—1954年），美籍意大利裔物理学家，第一座核反应堆的设计者。比萨大学哲学博士，佛罗伦萨大学、罗马大学和芝加哥大学教授。在物理学史上，要给费米正确的评价，似乎还为时太早。他是20世纪擅长理论与实验的物理学家，是一位多学科性的学者。他总是摇摆于理论物理学与实验物理学之间，很方便地适应着变化中的需要。

费米19019月29日年生于意大利罗马，费米小时候就表现出非凡的才能，他父亲的一位同事便有意识地培养他，给他读数学、物理方面的书。当他还是一个中学生的时候，就已具备大学研究生的水平。1918年进入比萨大学，1922年获比萨大学博士学位。1923年前往德国，在玻恩的指导下从事研究工作。1924年到荷兰莱顿研究所工作。1926年任罗马大学理论物理学教授。1929年任意大利皇家科学院院士。1934年用中子轰击原子核产生人工放射现象，开始中子物理学研究，被誉为“中子物理学之父”。1936年出版的热力学讲义成为后人教学用书的著名蓝本。由于他在中子轰击方面，尤其是用热中子轰击方面的成绩，1938年荣获诺贝尔物理学奖。1939年任教于美国哥伦比亚大学。

美国原子能委员会设立了费米奖金，1954年首次奖金授予他本人。20世纪以来，物理学研究领域的广度和深度都发展得很快；很少有人能在几个领域都作出重要的贡献。可是费米对理论物理和实验物理都作出了重要的贡献，有些还是开创性的成就，这在20世纪是少见的。1954年11月29日费米病逝于芝加哥。终年53岁。

1925—1926年，费米根据泡利不相容原理，与英国物理学家狄拉克各自导出物理学的深奥分支——量子统计中的“费米-狄拉克统计”。费米发展了统计理论并运用它来描述称为“费密子”的粒子裂变。这项研究导出了他的第一项不朽的工作，导出了“费米分布”、“费米球”、“费米液体”、“费米子”等概念。费米的理论在科学上是非常重要的，使我们能更好地了解原子核。

1932年，英国物理学家詹姆斯·查德威克发现了一种新的逊原子微粒——中子。费米从1934年起用中子轰击许多已知的化学元素，开始了史无前例的关于中子引起的核反应的研究，提出热中子的扩散理论。他在用中子轰击铀原子的核反应实验中，得到了一种“新元素”。当时他把这种元素起名为“超铀”元素，创造了β衰变的定量理论，为原子能研究奠定了重要的理论基础。

费米因利用中子辐射发现新的放射性元素，及慢中子所引起的有关核反应，获1938年诺贝尔物理学奖。但这时他却在意大利遇到了麻烦。首先，他的妻子是犹太人，而墨索里尼政府颁布了一系列反犹太人的法律。第二，费米强烈地反对法西斯，在墨索里尼的独裁统治下，这是危险的。1938年12月，他前往斯德哥尔摩领取诺贝尔奖，之后就再也没有返回意大利。他去了纽约，求贤若渴的哥伦比亚大学聘用了他，1944年他成为美国公民。

其实，费米得到的并不是“超铀”元素。1939年费米到了美国。当时德国科学家哈恩与斯特拉斯曼用化学方法检验了费米的实验，发现：用中子轰击铀原子，只能得到地球上已存在的钡。从费米的错误结论出发，竟然得到一个意想不到的惊人成就。因为钡的重量略高于铀的一半，这是无法用原子核的“衰变”理论解释的。因此，哈恩与斯特拉斯曼便大胆地提出一种新设想，认为铀原子核受到中子的轰击后，不是“衰变”，而是“分裂为大致相等的两个中等质量的原子”。这就是著名的“裂变理论”。

“裂变理论”诞生之时，费米正在外出途中。当他从杂志上获悉这一惊人的消息后，就像别的优秀的科学家一样，立刻认识到了铀裂变可能会释放出大量的中子，产生链式反应。费米还预见到链式反应的潜在军事用途。他马上返回哥伦比亚大学，一头扎进物理实验室。他用精密细致的实验验证了“裂变理论”的正确性，并致力于研究裂变的“链式反应”，进而建立了一整套“链式反应”的基本概念和基础理论。

1939年3月，费米与美国海军联系，试图使他们对发展核武器感兴趣。也就是几个月后，爱因斯坦就此项目给罗斯福总统写了一封信，美国政府开始对原子能感兴趣了。

一旦美国政府对此发生了兴趣，科学家的首要任务就是建立一个核反应堆样本，看看自持续链式反应是否可行。由于费米是世界上的中子提出者，以及他兼具试验和理论才能，所以他被选为组长，组织建立世界上第一个核反应堆。他先在哥伦比亚大学工作，后又在芝加哥大学工作。就是在芝加哥，1942年12月2日，在费米领导下设计和生产的第一座核反应堆成功运行了。这确实是原子时代的开始，因为这是人类头一次成功地实现链式反应。成功的消息传到东部时用的是暗语，但也是一种预言：“这位意大利的航海家进入了新世界。”

由于这次成功的试验，美国决定全速实行曼哈顿计划。费米作为杰出的科学顾问，继续在该项目中起重要作用。

战后，费米在芝加哥大学任教。1945年之后。转向介子物理学和天体物理学研究。他先后获得德国普朗克奖章、美国哲学会刘易斯奖学金和美国费米奖。1953年被选为美国物理学会主席。还被德国海森堡大学、荷兰乌特勒支大学、美国华盛顿大学、哥伦比亚大学、耶鲁大学、哈佛大学、罗切斯特大学和拉克福德大学授予荣誉博士。1954年因胄癌逝于芝加哥 1955年原子序数100的人工所制元素被命名为镄，以纪念他对科学的贡献。

费米之所以成为重要人物，有以下几个原因。一是他是无可争议的20世纪最伟大的科学家，而且是为数不多的兼具杰出的理论家和杰出的试验家天才的人。他在其生涯中写了250多篇科学论文。二是费米在发明原子爆破方面是一个非常重要的人物，尽管别人在推动这项事业的发展上也起了同样重要的作用。

然而费米最重要的作用是在研制核反应堆上。他首先是对基本理论的形成作出了贡献，其次是在实践中主持了第一座反应堆的设计和生产。沉湎于科学研究中的费米用自己的心血，换取了人类科学史上的又一个划时代的进步。铀核反应的实验成功及其基础理论的产生，为后来原子弹的试制成功提供了有力的实验基础和可靠的理论依据。这一重大成果，打开了长期封闭的原子核能宝库的巨锁，为人类找到了取之不尽、用之不竭的新能源宝藏。由于取得如此巨大的成就，费米成为原子能事业的先驱，成为世界上最有声望的科学家之一。

从1945年以后，原子武器从未用于战争。出于和平目的，大量的核反应堆建成用来产生能源。在未来，反应堆将成为更重要的能源来源。此外，一些反应堆被用来生产有用的放射性同位素，用在医学和科学研究上。反应堆还是钚的一个来源，这是制造原子武器的一种材料。人们对核反应堆可能对人类产生危害存有害怕心理，但没人抱怨它是个无意义的发明。不管是好还是坏，费米的工作对未来世界产生了巨大的影响。

费米是20世纪所有伟大的物理学家中最受尊敬和崇拜者之一。他之所以受尊敬和崇拜，是因为他在理论物理和实验物理两方面的贡献，是因为在他领导下的工作为人类发现了强大的新能源，而更重要的是因为他的个性：他永远可靠和可信任；他永远脚踏实地，却不滥用影响，也不哗众取宠，或巧语贬人。不论是作为一位物理学家还是作为一个人，费米深为所有的人所崇敬。他之所以使人肃然起敬是因为他是一个扎实的人。他的所有表现无不散发出他的这种品格的魅力。为了反对把原子能用于战争目的，费米于1946年初离职回到芝加哥大学任教，转入粒子物理这个新领域的研究。一批有为的青年慕名来到芝加哥大学，聚集在他的左右，其中如杨振宁、李政道、M.盖耳-曼和O.张伯伦等人，后来都成为有重要贡献的物理学家。芝加哥大学的同步回旋加速器建成以后，费米和他的小组于1951年发现了第一个核子共振态。

杨振宁于1945年获奖学金离开中国赴美国留学，他渴望在费米的指导下学习，为此来到哥伦比亚大学。当他得知费米已转到芝加哥大学时，便又前往芝加哥读研究生。后来，费米和杨振宁在基本粒子的研究中共同提出了“费米-杨振宁模型”。

在一座新研究堆上正在建立冷中子源(CNS，简称冷源)装置，为今后在该堆上开展中子散射实验提供多种特征波长的冷中子束。所谓“冷中子”，通常指能量为0.1-5meV的中子，这种中子的波长与原子间距、分子间距相当，其能量与原子间热运动具有同一数量级，是在分子原子水平上研究物质结构和微观运动规律的理想工具之一。在这座反应堆冷中子源建成投产的早中期，曾对中子物理学参数进行了多次计掣，但因最终建成的冷源实际方案以及影响冷中子输出的某些反应堆参数出现局部调整，故须重新计算该冷源的中子物理学参数，计算结果可用于正确评估该冷源的实际性能，指导应用。冷源中子物理参数包括冷源慢化剂中的冷中子注量率、中子能谱分布及冷中子增益因子等，其计算结果可为使用冷中子的各种中子谱仪提供设计输入参数。液氢慢化剂正、仲氢的比例以及慢化剂温度等因素，对冷源中子输出能谱具有较大影响，为此，有必要对其进行对比计算。

计算条件与模型

图1 冷源结构的MCNP计算模犁的竖(a)、横(b)剖面图

采用蒙特卡罗三维粒子输运计算软件MCNP完成冷源中子物理参数计算，用基于ENDF—BV截面库，力图真实模拟冷源非均匀三维几何结构。

MCNP计算模型与反应堆堆芯结构及堆芯附近的冷源结构基本一致。慢化剂室为环形结构，环形空间充满温度为20K的液氢，液氢靠氦气冷却。为得到慢化剂室内冷中子注量率的空间分布信息，计算中将慢化剂室中间环柱体液氢部分上下划分为6部分，每部分又在周向分成6个扇形区域，即慢化剂室环柱体液氢部分共分为36个计数区域(图1)。

中子注最率计算中，仅考虑冷态无燃耗状态；冷包内液氢平均温度为20K，密度为0.071g/cm3。计算结果按反应堆功率进行了归一化处理。

计算结果及讨论

（1）慢化剂室内冷中子注量率及能谱

图2 冷源冷中子波长谱

计算得到慢化剂室内平均中子注量率为6.69×1013/cm-2·S-1，其中冷中子注量率(En<5meV)为2.0×1013/cm2·S-1，热中子注量率(En<0.215eV)为6.23×1013/cm-2·S-1。正、仲氢比例会影响慢化剂性能，计算外，取正、仲氢各占50%。

该冷源仅一个冷中子引出孔道(图1)，计算得到引出孔道对应处60°扇区内直圆柱段液氢慢化剂内平均中子注量率为5.0×1013/cm2·S-1，其波长谱中(图2)，注量率峰值在0.375nm处，对应的最大中子注量率为4.38×1013/cm2·S-1。

（2）冷中子增益

图3 冷中子增益

冷中子增益即冷慢化剂和暖慢化剂中冷中子注量率的比率。暖慢化剂指300 K的慢化介质。计算时要求常温介质具有类似低温介质的中子散射特性，在以液氢为冷介质的冷源系统下，暖慢化剂可使用同体积轻水。图3为正对冷中子水平孔道入口的60°扇区内直圆柱段液氢慢化剂的冷中子增益曲线，波长0.4nm和0.6nm对应的增益分别为16和32，符合冷源设计要求。

（3）慢化剂中正、仲氢比例的影响

图4 不同正仲氧比例下的冷中子波长谱

常温下，氢慢化剂由分子自旋方向相反的75%正氢(ortho-hydrogen)和25%仲氢(para—hydrogen)组成，在20K低温稳态下，仲氧所占比例增至99.8%，有助于冷中子从慢化剂中逸出，从而增加冷中子增益。然而，实际中的冷中子增益还受到慢化剂层厚度、冷源外围反射体结构与布局设计等多种因素的影响，是复杂的冷源中子物理设计方面的问题。

20K环境下，若无转换催化剂的作用，正氢向仲氢转换速度缓慢。因此，从冷源装置低温运行时刻起，慢化剂中仲氢比例随装置运行时间逐渐增加，最终达到动态平衡(仲氢比例99.8%)，此过程约数十至一百多小时。在此过程中，不同时刻输出的冷中子谱有差异，为此，对该冷源慢化剂中正、仲氢不同比例进行对比计算。由图4的计算结果，正、仲氢比例对该冷源的中子输出能谱影响较为明显。

图5 不同温度慢化剂的冷中子波长谱

（4）慢化剂温度的影响

受堆运行功率波动、冷源氦制冷系统冷却能力正常扰动等因素影响，慢化剂室中液氢温度在20K上下小幅度波动，温度变化对冷源的中子物理性能有一定影响，图5是不同慢化剂温度下的冷中子波长谱，可见在3K的变化范围内，慢化剂温度对0.4nm以上波长的冷中子能谱影响程度很小。