五十年前Chadwick发现了中子。中子的发现对科学技术产生了巨大的影响，涉及面极广，从原子核反应堆到生物体物质的研究，乃至物质基本组分的最新探索。

人们对中子的认识已进入了一个新时期，大量令人信服的证据使我们认识到中子绝不是最基本的，而是具有复杂而使人迷惑的、有多个自由度的结构。在它所占有的10-44m3的非常小的体积内是三个更小的物体，叫做夸克。它们在一种新的相互吸引力的作用下，沿着绕质心的轨道运行。其中两个叫做“下”夸克，具有自旋1/2和电荷-e/3；第三个叫做“上”夸克，具有自旋1/2和电荷+2e/3。这个基本结构的假设是建立在虚负π介子的连续蒸发和再吸收过程基础上的，在此过程中伴随着一个下夸克暂时转变为一个上夸克。结果成为一个相当漂亮的物体，外面是球形的负电荷晕，而球心略带正电荷。我们知道正是这种电荷的环流使中子具有一个磁矩，纵然其总电荷等于零。这种电荷环流已由高能电子散射所证明。

我们对原子和分子结构的经验使我们想到如果中子确是如此之复杂，那么中子应当具有一系列的激发能级。情况确实如此，基态中子具有相当于940 MeV的质量，并且我们已经知道在1500 MeV以下至少有7个激发态，其自旋为1/2或3/2。

中子的发现

今年是发现中子的五十周年，因此在谈论最新的一些概念以前让我们首先回顾一下某些比较有趣的事件是很有意义的，这些事件使我们在中子物理学领域中的知识和应用达到了目前的水平。

说也奇怪，人们对中子的最早的概念是认为它具有一种复合结构，具有像电子绕质子在轨道上旋转的氢原子结构缩小许多的那样一种结构。1920年卢瑟福在皇家学会的一次演讲中提出存在这种客体的可能性。他说：“这样一种粒子可能具有很奇异的性质。除去十分靠近核的地方以外，它的外场实际上等于零，因此它就有可能自由地通过物质。”看来这种概念在他的思想中已酝酿了好几年。特别吸引他的是以此来解释星体中较重元素的形成。正是这个微小的中性物体使得额外的质子可以钻进重核的强大的库仑斥力势垒。当然，在那个时候还没有人知道电子和质子的自旋。直到1920年代末期才开始认识到核由质子和电子构成的概念是非常不能令人满意的，于是出现了用自旋为1/2的中字来阐明核结构的要求。

关于中子的实验报道那就更晚了。在发现电子和质子以后，过了二十多年直到1932年，中子才由Chadwick在剑桥发现。差不多又经过二十多年在美国和加拿大的新的核反应堆工作的Snell，Miller和Robson断定中子是不稳定的，并具有15分钟左右的平均寿命，衰变产生一个电子、一个质子和一个反中微子。这否定了卢瑟福认为中子可能衰变为一个质子和一个电子以及Chadwick和Goldhabar早在1935年的看法。

困难在于中子往往不是处在自由态；它们往往都被牢牢地固定在原子核中，偶尔有机会才被释放，它们在作一次相互作用以前可能要在周围物质中穿过20厘米那么长的距离。当相互作用确实发生时，每次都在以下两种情况中选择一种：一种是与核作弹性碰撞，这种中子被偏转而原子核反冲；另一种是核反应，这时中子几乎肯定重新被束缚。中子在固体或液体中被重新俘获以前大概只存在1毫秒左右。为了使中子避免再次俘获，应该把它注入真空中，瓶装中子大约在几十分钟内丧失寿命，它通过β衰变而死亡。

Chadwick是从研究α粒子轰击的铍所发射的不平常的贯穿辐射问题着手的。这种辐射是由德国的Bethe和Becke发现的，而巴黎的Curie和Joliot则进而发现这种射线可能会把高能质子从含氢的物质中驱赶出来。他们认为这种辐射是50 MeV的射线，它通过康普顿碰撞撞击出质子；但是看来截面是错了。Chadwick测量了其他较轻的核被射线向前撞击时射线的能量，结果表明整个过程不只是γ射线碰撞引起的动量转换。但是，如果假定这是一个入射粒子，它的质量与质子相当，其能量约为4 MeV，则就能圆满地解决。这种碰撞罕见的特点是它具有零电荷。无可置疑Chadwick受到卢瑟福指导的教益，也受到卢瑟福的关于中子的预言影响，但这些都决不降低他为定量实验物理学添置了一块美好的砖瓦的功绩。

像其他一些重要的发现一样，中子的发现也证明了重要的发现推动了技术的发展，它促进了无线电电子管放大器的发展，以用来测量被撞击的原子核的能量。

从Be（α，n）C反应可获得中子的这个重要的发现立即在许多实验室中引起了反响，他们利用这个中子源开展了对中子的研究。大多数物理学家关心的是中子和原子核之间的相互作用，他们的工作可以分为三个主要的方面。第一方面是剑桥小组的工作，他们关心的是散射和迅发反应。在中子发现后，Feather几乎马上就用威耳孙云雾室得到了显示中子入射时的氮原子核蜕变的照片。同年Chadwick根据这些反应的能量推断出中子的质量为1.0067-0.0009+0.0003amu。到1935年发现氘核的光致蜕变后作的测量得到了更加精确的中子质量的数值。也是在第一年，即1932~1933年测量质子与其他核对中子的散射表明对于质子与中子之间的相互作用单单用电磁学的语言是不够的，除了假定中子-质子力以外没有别的选择。

第二方面的工作是罗马的Fermi小组所从事的充满生气的工作，他们关心的是由于中子俘获而引起的放射性。1938年Fermi为了他的家庭的安全被迫移居美国时，他们的系统周密的研究刚告段落。在此期间他的最突出的发现是用含氢的物质，如石蜡和水，可以使中子慢下来，以及在引起放射性的过程中慢中子有明显的增加，它可增加上百倍。Fermi小组继续对慢中子俘获的研究揭示了这种过程的截面有几个狭窄的共振峰这个特点，为进一步发展包含中子的核结构理论提供了令人鼓舞的篇章，并由此导致了由Bohr和Breit以及Wigner提出的复核理论。

裂变和核反应堆

中子的发现是人们所预料的。与此相反，核裂变的现象却完全是意料之外的，并且是出其不意地出现的。它是1930年代同一时期在中子和原子核相互作用领域中进行的第三方面工作的结果。当时德国化学家Hahn和Strassmann正从事这个领域的工作，他们并且和奥地利的物理学家Use Meitner合作进行研究。Fermi小组也注意到了这个问题，但是没有什么成效。诱因是卢瑟福关于俘获中子可以用来作为产生新的元素和同位素的老的概念。显然这里要做的最激动人心的事情是把中子送入到已知的最重的元素铀中去，希望能产生出至此还不知道的元素。识别新元素看来最好是用化学方法。这项工作是困难的，并且是有争议的，而所得的结果又是令人迷惑不解的。

最后Hahn写信给Meitner说，最重要的产物是放射性钡，而他们有时候却疏忽了，因为他们在寻找较重的元素，钡已被审慎地由分离技术处理过。1938年圣诞节Meitner和正与她一起过节的外甥，年轻的物理学家Frisch讨论了这个没有预期到的结果。就在这一、二天内一个新的概念孕育出来了：铀核在俘获中子受到扰动时可能是不稳定的，它像一个高度带电的液滴随时可以分裂成两个大小大致相同的液滴。如果所有这些都是符合实际的话，那么就可得到足够的能量；事实上，在一个原子核裂变时可以释放200 MeV左右的能量。

裂变的发现以及随之而来的链式反应工作以及最终由Fermi于1942年在芝加哥所实现的在天然铀中慢中子的链式反应引起了中子物理学的革命，影响了许多技术领域，出现了核能和核武器。在第二次世界大战期间反应堆研究急剧发展促使几乎在许多大学里都建立了小型反应堆，并且还建造了许多个配有昂贵的实验设备的大型核反应堆。例如由法、德、英联合投资的在格勒诺勃的劳厄-朗之万研究所，1972年已有一个57 MW的反应堆，它可以向50个以上的仪器和实验提供强中子束，并且在计算机控制下可以同时并自动运转。

中子引起裂变和其他核激发的研究促使去获得比Ra-Be强得多的中子源的研究快速进步，从而进一步对核力和核结构有更好的认识。同时对中子本身也有了更进一步的详尽的探究，现在我们知道根据Stern-Gerlach实验自旋一定等于1/2；自发β-衰变的平均寿命为910（30）秒，中子的电荷小于10-20e；中子的电偶极矩小于6×10-25e. cm，中子和质子的磁偶极矩之比为-0.68497935（17）！

研究用的反应堆是核物理学的重要的设备，而中子束则主要是用来研究固体、液体和气体中，包括生物物质中的原子核的排列和运动。利用选择性晶体的布喇格散射可从热中子的连续谱中选出波长范围在5~0.05 nm范围内的中子束。然后单能中子束由待测材料中的原子核散射，通过分析被散射的中子的衍射花样和能量分布可得出关于材料中的原子核的相对位置和运动的知识。这种测量补充了X射线衍射的研究。后者给出电子密度图，前者则为我们研究材料提供了一个十分有用和完备的方法。另外，当中子磁矩都沿同一方向的强极化中子束受到散射时其结果与靶材料中的磁场分布有关，因而可获得有关样品磁性结构的知识。

在各种中子源中最重要的新型中子源是脉冲中子源，例如散裂中子源，它将在1984年起在卢瑟福-阿普顿实验室运转。一个从同步加速器发出的800 MeV强脉冲质子束将撞击一个铀靶，每个质子大约可获得30个中子，每一个能量达55 MeV，这是铀核大能量的崩溃或“散裂”的结果。中子导管将强脉冲中子束传输到实验区，这里“飞行时间”能量测量可用于研究原子核和衍射。脉冲中子源使实验范围扩展到相当高的能量和较短的波长，因而可以研究材料中的更微小的结构。

超冷中子

最近二十年中子研究的另一个重大发展是将波长扩展到大于66 mn和速度小于6 ms-1的“超冷中子”区。1955年Zel'dovich认为这种中子可以从反应堆中提取，尽管它们只占总流量的1011分之一，而且在正入射到许多物质上时会以很高的几率反射出来。不久杜布纳的Shapiro和慕尼黑的Steyerl实现了超冷中子的储藏，它是一种在室温下和“瓶”壁没有取得热平衡的中子气体。现在有好几个地方，包括列宁格勒、慕尼黑、格勒诺勃以及恰克河等地都有了有用的中子源、

由于波长比原子间的距离大许多，所以超冷中子和德布罗意波长范围内的所有原子核都能有效地作用，对于许多材料中子-原子核相互作用给出的“费密”推斥势平均为2×10-7eV左右，它相当于速度为5米/秒的中子的动能。小于这个临界速度的中子在各种入射角时都被反射，而只有很小一部分透入表面（像一个全内反射波），所以在原子核中被俘获而损失的几率很小，在壁上由于原子核振荡引起的能量的增加的几率也很小。超冷中子已被用来研究中子与表面的相互作用。Steyerl根据重力原理发明了一种精致的分光计作速度选择也就是波长选择来实现中子波在薄金箔内的干涉。速度为6米/秒的中子只能垂直运行1.83米，就会由于重力作用而静止或沿相反方向运动。

磁共振已在格勒诺勃的劳厄- 朗之万研究所中实现，储存极化的超冷中子可长达80秒。实验工作在列宁格勒和劳厄 - 朗之万研究所进行，他们把强电场加于储存中子上来测量中子的电偶极矩。波恩的Paul在劳厄 - 朗之万研究所中用磁约束来储存很慢的（v≤20米/秒）中子，并指出在一定条件下在该范围内的中子的主要损失是由于自发的β衰变。这是可能的，因为速度为6米/秒的中子当它们的磁矩对于磁场是反平行时不能穿过大于3.1T的磁场，因为这时候-μ·β大于动能。看来对于被拘禁的超冷中子的研究不久将会得到中子β衰变的平均寿命的正确的数据，这个数据对于基本粒子物理学是很重要的，对于宇宙学关于宇宙早期氦的产生问题也是重要的。

中子结构

在关于中子结构及其相互作用的概念的发展中贯穿始终的线索，一方面与观察最低能量的现象相联系，另一方面与观察最高能量的现象相联系。就在证实中子存在的一年之后，Stem和Frisch观察到质子磁矩有巨大的反常现象，通过观察不均匀磁场中氢分子的偏转发现超过了它的狄喇克值。七年之后，1940年Bloch和Alvarez探测了中子磁矩，它和反常质子磁矩在数值上差不多，但符号相反。金就得出中子和质子都不是狄喇克点粒子的锤论，它们都不是像电子那样的点粒子，而是以一种扩展的结构支持电流。这釉电流源被认为是受强相互作用驱动的，它引起了虚带电介子云。这个概念是由汤川秀树首先提出的。

中子和质子的电磁结构一直采用高能电子散射的方法进行研究，这种方法是卢瑟福和他的助手们在他们早期的原子的核模型研究工作中首创的。人们发现质子的电荷半径和磁半径都等于0.8 fm左右，或者近似等于π介子的康普顿波长的十分之一。中子的磁半径约有相同的数值，但是电荷半径小。所以中子与原子的核型结构是非常不相像的，虽然通过低能中子对束缚在无自旋原子中的电子的散射显示出它确实存在微小的电荷分离。

从最高能量下的电子散射实验中已经得到在深度非弹性散射范围内受点粒子散射的形状因子特征。最明显显示各散射成分的作用的是夸克本身。特别有意义的结果是观察到在动量转移最大时，也即对应于夸克之间的间隔最小时夸克之间的力不是增加了而是减小了，犹如电磁力那样。这些发现导致“渐近自由”的想法，在最小间隔下夸克的特性像一个自由粒子。

中子是自旋1/2的粒子，转动不变性不允许存在高于偶极子的电磁多极矩，但并不排除可能存在电偶极子。然而，永电偶极矩可能破坏CP-不变性，这种对称性只有在一种物理过程中，即长寿命中性K-介子的三π子的衰变过程中被破坏。对于中子的有限电偶极矩的探索Ramsey和他的助手们在三十多年前就已开始，随着重要的统一理论的发展以及在把观察到的重子-反重子非对称性和当年膨胀宇宙之间建立了联系后，坚持多年的探索已迈出了一大步。

电荷与核力无关的原理早就根据中子-质子和质子-质子散射以及氘核的结构推断出来了。这个性质表示为强相互作用的同位旋对称性定律，这里把中子和质子看作为同位旋对，表现为一个粒子，即具有总的同位旋T=1/2以及分量T2=-1/2（中子）和T3=1/2（质子）的核子。强相互作用，T和T3守恒；而电磁相互作用，T3守恒，但T不守恒；弱相互作用，T和T3都不守恒。所以我们说同位旋对称性被弱相互作用和电磁相互作用破坏，完全像电子自旋态的转动不变性在采用磁场时被破坏一样。自旋和同位旋之间形式上的类比是非常接近的，因为这两种情况中都包含同样的对称群SU（2）。

可以说同位旋是物理学中认识到的第一个内部对称性；这是一种整体对称性，而不是与时空变换相联系的局部对称性。或许是直到认证了π介子才充分认识到同位旋三重态的重要意义。后来，随着奇异粒子的发现和指定新量子数奇异性和超荷，SU（2）对称性被归入到较高的对称性SU（3）中；这时自旋1/2的重子（包括核子）及自旋为零的赝标介子（包括π介子）的八重态被归类为SU（3）多重态。

这种图像的最新发展是认识到如果假定存在三种自旋为1/2的叫做夸克的粒子就有可能十分正确地描绘所有强子的性质；上（u）夸克、下（d）夸克和奇异（s）夸克的主要特征是它们每个都分别带重子荷1/3和电荷2e/3，-e/3和-e/3。上夸克和下夸克的奇异性都是零，而奇异夸克的奇异性为-1。于是，介子就可解释为是夸克-反夸克束缚态，而重子可看作为三个夸克的束缚态；质子则由两个上夸克和—个下夸克组成，而中子包含一个上夸克和二个下夸克。从而还可能证明∑+和质子应该有相同的磁矩，同时Ξ°和中子的磁矩等于质子磁矩的-2/3，这些结果都在合理的精确度范围内由实验诬实。

早期夸克模型的主要困难在于统计学问题，怎样使泡利不相容原理可能和Ω-（它本来是以SU（3）对称为基础的，在夸克模型中把它看作为具有平行自旋的三个奇异夸克的s波状态）的存在相一致？为了避免这个困难，必须给每种夸克“味”（上、下、奇异）授予三值量子数，把它叫做“色”（对于反夸克叫做“反色”），而这三种色，即红、绿、蓝是这样选择的，要使所有强子系统都是无色的或“白色”的。

弱相互作用及其他

在阐明宇称破坏的弱相互作用结构中，中子比任何系统都能提供更多的结果。根据中子β -衰变我们可以通过结合寿命的数据和衰变中所包含的各粒子的各种极化及角相关来确定弱耦合常数的数值和位相。我们也可以通过观察非极化核的圆偏振辐射和在横向极化中子透过大块物质时探测弱宇称破坏的自旋旋转来研究核子-核子弱相互作用的某些特性。

弱相互作用使我们认识到夸克的（u，d'）组合，这里d'=d cosθc+ s sinθc是夸克场的线性组合，θc是混合参量，叫做卡比玻（Cabibbo）角。后来证明如果不引进第二种夸克组合（c，s'）是不可能详细理解弱相互作用的，这里s'=-d sinθc+ s cosθc，c表示第四个“粲”夸克场。所以特征对称性至少应该是SU（4）。现在认为有六种夸克，这样就有可能引进复混合参量导致CP破坏和一个有限的中子电偶极矩。

虽然夸克模型提供了强子状态的相容描述，但至今还没有真正鉴定自由夸克，尽管已经在广泛现象范围内进行了充分的探索，但至少还没有达到使每一个人自己满意。对于这个不足之处的通常解释是，由于夸克之间的力的特殊性质即在间隔大时反而增加因而夸克被幽禁在强子内。人们认为这个力的起源和色有关；以力为基础的色的规范理论叫做量子色动力学，已与量子电动力学一起取得了进展。因为色荷是三值的，所以假定夸克状态的三重态是色的基本状态SU（3），就像u、d、s夸克形成了味的基本状态SU（3）一样。夸克之间的相互作用被认为是由八个零质量的矢量玻色子即胶子传递的。像质子一样，胶子是由八个守恒的色流产生的。与质子不同之处是胶子是不带电的，胶子所带的是色荷，并由此形成色流。正是在胶子场方面人们对描写夸克幽禁的探索已作了许多努力。

在涉及中子的弱相互作用和电磁相互作用方面，似乎可以肯定地说它们和近代统一理论相当一致，它自然破坏了建立在U（1）×SU（2）群基础上的规范理论。在这种图像中电弱相互作用存在于一个零质量的玻色子、质子和三个大质量的玻色子Wμ+，Wμ0和Wμ-之中，它们耦合带电形成中性弱电流。但是由于在实验上还没有探测到，因此余下的问题是要看这些大质量的玻色子是否确实存在。另外需要解决的问题是：中子是否具有电偶极矩？它的电极化率等于多少？是否存在中子-反中子振荡？这些都是十分重要的基本问题，针对这些问题目前正在进行或者准备进行大量有价值的实验研究。

（Physics Bulletin，1982年8月，33卷第8期）