低调的中子
中子是原子核的基本粒子，但是长期以来，他的名气似乎并没有那么响亮，当人们还在对量子通讯、质子治疗和X射线拍照侃侃而谈的时候，中子很少被提起。
中子就犹如他的名字，走的是中庸之道，不张扬，不显摆，其实它可能是很多事情背后的真正“大佬”。比如，人类的终极武器“核武器”，和人类又爱又恨的能源技术“核电”，他们的名气远超中子，可能只有核物理学家才了解，背后正是中子的神奇力量。
与原子中的质子和电子不同的是，中子既不带正电荷也不带负电荷，但是原子核中如果没有中子的存在，同样带正电荷的质子就会互相排斥，是中子利用自身引力，将更多的质子连接在一起，这样才能组成了除了氢元素之外的其余元素，最终构成我们多姿多彩的世界。
中子的概念是由英国物理学家欧内斯特·卢瑟福在1920年提出，并在1932年由詹姆斯·查德威克用α粒子轰击的实验中得到了证实的。中子的特征可以如图1所示。
图1 中子的结构及其衰变过程
中子的内部结构是由三个夸克和传递夸克之间强相互作用的胶子构成的，在原子核内，中子是非常稳定的，但是自由中子是不稳定的粒子，可通过弱作用衰变为质子，放出一个电子和一个反中微子，平均寿命只有896秒。
自由的中子在自然界中非常罕见，但是中子由于它独特的性质，确实默默在人类的生活和科技的进步中发挥着神奇的作用，且妙用无穷。
中子的神奇应用
至于中子为何有无穷的妙用，还得从原子的结构说起，如果将原子比作一座宝库，这座宝库同时也是一座监牢，只有打破它才能释放出能量宝石。原子核外的电子就像是宝库最忠诚的外层守卫，他们围绕原子核高速运动，身影无处不在，通常被称为核外电子云。核外电子云的的直径要远超原子核的直径。原子核内部还存在着质子守卫，他们通过核力将中子束缚在监牢里，吝啬的不让能量的宝石被带走。通常情况下，核外电子云为原子核挡下了大部分的外部射线，维持着原子宝库的稳定。然而自由中子是他们的噩梦，中子的质量远超电子，呈电中性，他们视同核外电子云如空气一般，轻易的穿透他们，直接找到电子云中心的小小的原子核，并尝试去打开这座牢笼，解救被困的兄弟姐妹。
然而在自然界中，自由的中子极其罕见，他们势单力薄，最终会走向消亡。不过科学家们就是它的救世主，他们会利用加速器加速带电粒子，敲开原子核宝库，释放出更多的中子，再利用向往自由的中子开展一些别的粒子无法做到的神奇妙用。
神奇之一：中子击碎原子核牢笼，为人类世界带来利用能量宝石的机会
当中子从外界获得能量，击碎了原子核宝库，能量宝石将呈现人间，这个过程称之为裂变反应，而中子则就是人类利用核能的钥匙。基于中子触发的裂变反应，人类先后发明了核武器和核反应堆。在核武器中，放置了包含高浓度的易裂变同位素的核材料，意味着他们的原子核牢笼很轻易就能被中子击碎，裂变成了两个不稳定的两个小原子核，并且释放出更多的中子，中子在极短的时间内大量的增殖，继而触发更多次的裂变反应，瞬间爆发出巨大的能量，这也是原子弹爆炸的基本原理。而在氢弹内部，首先也需要用大量的核裂变释放的能量诱发核聚变反应，聚变反应后释放的巨大能量由中子带出，产生极高能量的辐射破环力。
与核武器相比，核反应堆中燃料的易裂变同位素浓度则要低很多，同时采用中子慢化剂和中子吸收剂对中子的能量和数量加以控制，让中子诱发裂变持续而稳定的进行。反应堆中新产生的中子和消失的中子需要保持一种平衡状态，反应堆中中子的浓度决定了核燃料裂变能释放的速度。这样，只要控制好中子，核反应堆就是安全的；只要中子充分利用经济性好，核反应堆的经济性也好。说中子技术是核能系统的灵魂丝毫也不为过。
图2 核裂变原理及核电站
神奇之二：中子心如明镜，辨别世界万物真假
识别一个元素的身份，其最终答案同样在原子核内部。中子每次都是通过核力，与原子核进行直接对话。核力是短程力，作用范围在10fm（千亿分之一毫米），中子与靶核每次都是密切的交流着，当中子足够靠近靶核时，会被靶核所俘获形成复合核。靶核也因为中子到来，打破了内部的平衡，使得它处于激发态，激发态的复合核需要重新恢复平衡，称之为退激反应，而退激反应发生的类型和释放出次级粒子的状态，同样取决于靶核的特征。因此通过检测次级粒子的状态，即可知道靶核元素的精确成分，即使是双胞胎一样的同位素，在中子面前也很容易分辨，中子就彷佛是最公正的镜子，可以照出世界万物的真假和虚实。
通常这种利用中子与物质反应后的核素的放射性特点，如半衰期、射线的种类和能量等，确定试样中某些元素含量的方法称之为中子活化分析法，已经在非开箱安检、矿藏资源勘探、工业物料成分检测等工业场景中取得了广泛应用，且具有不可替代的优势。
以非开箱安全检测为例，目前普遍采用的X射线无法对爆炸物、易燃物和毒品等违禁品进行直接筛查。因此，液体状物体被禁止携带。如果在安检中加入中子检测，则能分辨出物质的具体成分，从而可以快速确定是否存在违禁品，极大的提升安检的效率。
图3 中子元素识别原理及中子爆炸物检测装置示意图
神奇之三：中子火眼金睛，看透隐藏缺陷
原子序数高的原子，核外电子数会更多。其余种类的粒子大多数都会被忠诚核外电子给阻挡，导致射线的强度发生衰减，衰减的强度与原子序数也就是核外电子的数量成正比。这也是为什么在拍摄X光片时，可以用一层很薄的铅板就能阻挡住X射线的电离辐射。但是核外电子的多少对中子的影响基本可以忽略不计，中子直接与原子核发生反应，中子射线穿透物质的衰减强度与组织物质元素的原子序数没有明显关系。
相比其余射线，中子射线在重元素中的穿透能力更强，却对轻元素十分敏感。中子的质量跟轻元素的靶核质量更加接近，容易发生弹性碰撞，立刻损失绝大部分能量，导致中子射线大幅度衰减。中子这种遇强则强，遇到弱者反而会牺牲自己的精神，赋予它一种神奇的能力从厚金属材料包裹中找到内部轻元素的缺陷特征。无疑相比其他是无损检测手段，具有不可替代的核心优势。
比如涡扇航空发动机中的耐高温单晶涡轮叶片，外壳由镍基合金制成，但是在铸造过程中，里面的散热孔道可能还残留没有脱离干净的氧化铝型芯，导致散热孔道的堵塞，不仅影响发动机性能，甚至会引发严重事故。目前通常采用中子照相的手段进行检测，灵敏度远超X射线等其他无损检测方式。
图4 中子无损检测示意图
神奇之四：中子牺牲自己，拯救生命，为人类攻克癌症带来希望曙光
中子与硼B10等会发生强烈的吸收反应，形成的复合核会释放出两种能量极高的粒子Li7和He3。人们最开始将这种反应用来进行中子探测，或者对反应堆中子数量进行控制。不过随后发现中子与B10反应释放出的粒子在人体内的射程非常短，接近一个细胞长度，且粒子携带能量很高，恰巧可以用来进行让人类至今束手无策的癌症治疗。称之为硼中子俘获治疗（BNCT），在这种治疗方式中，给病人注射一种含B10的氨基酸药物，因为癌细胞对营养物质掠夺能力远超正常细胞，药物进入人体后，迅速聚集于癌细胞内，正常组织内浓度很低。再用相对能量较低的超热中子束流去照射癌症靶区，超热中子对人体细胞基本不造成损伤，但是一旦与癌细胞内的B10相遇，释放出的高能粒子就像2把纳米尺度的小型手术刀，精准的切断癌细胞DNA双链，让癌细胞彻底消亡，拯救人类的生命。
两种粒子在细胞内的线能量沉积可以是质子治疗的10倍以上，且杀伤范围不会波及到相邻细胞，真正做到细胞精度的癌症治疗。在这个过程中，中子勇敢的牺牲了自己，释放出了原子核宝库的生命宝石，给更多癌症患者带来生的希望。
图5 硼中子俘获治疗癌症示意图
中子是向往自由的勇士，它无牵无挂，一往无前，它的目标始终如一，却反而能演变出万般妙用。中子作为武器曾带走数十万人生命，同样作为能源让人类繁衍生息。中子辅助人类探索未知世界的奥秘，必要时甚至牺牲自己，消灭癌魔拯救千万人生命。中子的力量无关善恶，关键在于人类利用它的方式和目的。当前人类研究中子的路才走了很小一步，在更好利用中子技术造福人类的路上，还需要更多同行者，一起去研究与探索，中子应用技术的发展还会有更璀璨的未来。