基本介紹
- 中文名：中子物理學
- 外文名：Neutron physics
- 研究方向：研究中子與各種物質間的相互作用
- 相關人物：恩里科·費米
- 套用方向：在原子動力和國防上都很重要
中子物理學簡介,中子物理學之父,反應堆冷中子源中子物理學計算,計算條件與模型,計算結果及討論,
中子物理學簡介
大致可分為：
（1）巨觀中子物理：研究各種能量的中子在巨觀物質中的運動規律。
（2）微觀中子物理：研究各種能量的中子與分子、原子和核間的相互作用。
中子物理學之父
恩里科·費米（Enrico Fermi，1901—1954），美籍義大利裔物理學家，第一座核反應堆的設計者。比薩大學哲學博士，佛羅倫斯大學、羅馬大學和芝加哥大學教授。在物理學史上，要給費米正確的評價，似乎還為時太早。他是20世紀擅長理論與實驗的物理學家，是一位多學科性的學者。他總是搖擺於理論物理學與實驗物理學之間，很方便地適應著變化中的需要。
費米19019月29日年生於義大利羅馬，費米小時候就表現出非凡的才能，他父親的一位同事便有意識地培養他，給他讀數學、物理方面的書。當他還是一個中學生的時候，就已具備大學研究生的水平。1918年進入比薩大學，1922年獲比薩大學博士學位。1923年前往德國，在玻恩的指導下從事研究工作。1924年到荷蘭萊頓研究所工作。1926年任羅馬大學理論物理學教授。1929年任義大利皇家科學院院士。1934年用中子轟擊原子核產生人工放射現象，開始中子物理學研究，被譽為“中子物理學之父”。1936年出版的熱力學講義成為後人教學用書的著名藍本。由於他在中子轟擊方面，尤其是用熱中子轟擊方面的成績，1938年榮獲諾貝爾物理學獎。1939年任教於美國哥倫比亞大學。
美國原子能委員會設立了費米獎金，1954年首次獎金授予他本人。20世紀以來，物理學研究領域的廣度和深度都發展得很快；很少有人能在幾個領域都作出重要的貢獻。可是費米對理論物理和實驗物理都作出了重要的貢獻，有些還是開創性的成就，這在20世紀是少見的。1954年11月29日費米病逝於芝加哥。終年53歲。
1925—1926年，費米根據泡利不相容原理，與英國物理學家狄拉克各自導出物理學的深奧分支——量子統計中的“費米-狄拉克統計”。費米發展了統計理論並運用它來描述稱為“費密子”的粒子裂變。這項研究導出了他的第一項不朽的工作，導出了“費米分布”、“費米球”、“費米液體”、“費米子”等概念。費米的理論在科學上是非常重要的，使我們能更好地了解原子核。
其實，費米得到的並不是“超鈾”元素。1939年費米到了美國。當時德國科學家哈恩與斯特拉斯曼用化學方法檢驗了費米的實驗，發現：用中子轟擊鈾原子，只能得到地球上已存在的鋇。從費米的錯誤結論出發，竟然得到一個意想不到的驚人成就。因為鋇的重量略高於鈾的一半，這是無法用原子核的“衰變”理論解釋的。因此，哈恩與斯特拉斯曼便大膽地提出一種新構想，認為鈾原子核受到中子的轟擊後，不是“衰變”，而是“分裂為大致相等的兩個中等質量的原子”。這就是著名的“裂變理論”。
“裂變理論”誕生之時，費米正在外出途中。當他從雜誌上獲悉這一驚人的訊息後，就像別的優秀的科學家一樣，立刻認識到了鈾裂變可能會釋放出大量的中子，產生鏈式反應。費米還預見到鏈式反應的潛在軍事用途。他馬上返回哥倫比亞大學，一頭扎進物理實驗室。他用精密細緻的實驗驗證了“裂變理論”的正確性，並致力於研究裂變的“鏈式反應”，進而建立了一整套“鏈式反應”的基本概念和基礎理論。
1939年3月，費米與美國海軍聯繫，試圖使他們對發展核武器感興趣。也就是幾個月後，愛因斯坦就此項目給羅斯福總統寫了一封信，美國政府開始對原子能感興趣了。
一旦美國政府對此發生了興趣，科學家的首要任務就是建立一個核反應堆樣本，看看自持續鏈式反應是否可行。由於費米是世界上的中子提出者，以及他兼具試驗和理論才能，所以他被選為組長，組織建立世界上第一個核反應堆。他先在哥倫比亞大學工作，後又在芝加哥大學工作。就是在芝加哥，1942年12月2日，在費米領導下設計和生產的第一座核反應堆成功運行了。這確實是原子時代的開始，因為這是人類頭一次成功地實現鏈式反應。成功的訊息傳到東部時用的是暗語，但也是一種預言：“這位義大利的航海家進入了新世界。”
由於這次成功的試驗，美國決定全速實行曼哈頓計畫。費米作為傑出的科學顧問，繼續在該項目中起重要作用。
戰後，費米在芝加哥大學任教。1945年之後。轉向介子物理學和天體物理學研究。他先後獲得德國普朗克獎章、美國哲學會劉易斯獎學金和美國費米獎。1953年被選為美國物理學會主席。還被德國海森堡大學、荷蘭烏特勒支大學、美國華盛頓大學、哥倫比亞大學、耶魯大學、哈佛大學、羅切斯特大學和拉克福德大學授予榮譽博士。1954年因胄癌逝於芝加哥 1955年原子序數100的人工所制元素被命名為鐨，以紀念他對科學的貢獻。
費米之所以成為重要人物，有以下幾個原因。一是他是無可爭議的20世紀最偉大的科學家，而且是為數不多的兼具傑出的理論家和傑出的試驗家天才的人。他在其生涯中寫了250多篇科學論文。二是費米在發明原子爆破方面是一個非常重要的人物，儘管別人在推動這項事業的發展上也起了同樣重要的作用。
然而費米最重要的作用是在研製核反應堆上。他首先是對基本理論的形成作出了貢獻，其次是在實踐中主持了第一座反應堆的設計和生產。沉湎於科學研究中的費米用自己的心血，換取了人類科學史上的又一個劃時代的進步。鈾核反應的實驗成功及其基礎理論的產生，為後來核子彈的試製成功提供了有力的實驗基礎和可靠的理論依據。這一重大成果，打開了長期封閉的原子核能寶庫的巨鎖，為人類找到了取之不盡、用之不竭的新能源寶藏。由於取得如此巨大的成就，費米成為原子能事業的先驅，成為世界上最有聲望的科學家之一。
從1945年以後，原子武器從未用於戰爭。出於和平目的，大量的核反應堆建成用來產生能源。在未來，反應堆將成為更重要的能源來源。此外，一些反應堆被用來生產有用的放射性同位素，用在醫學和科學研究上。反應堆還是鈽的一個來源，這是製造原子武器的一種材料。人們對核反應堆可能對人類產生危害存有害怕心理，但沒人抱怨它是個無意義的發明。不管是好還是壞，費米的工作對未來世界產生了巨大的影響。
費米是20世紀所有偉大的物理學家中最受尊敬和崇拜者之一。他之所以受尊敬和崇拜，是因為他在理論物理和實驗物理兩方面的貢獻，是因為在他領導下的工作為人類發現了強大的新能源，而更重要的是因為他的個性：他永遠可靠和可信任；他永遠腳踏實地，卻不濫用影響，也不譁眾取寵，或巧語貶人。不論是作為一位物理學家還是作為一個人，費米深為所有的人所崇敬。他之所以使人肅然起敬是因為他是一個紮實的人。他的所有表現無不散發出他的這種品格的魅力。為了反對把原子能用於戰爭目的，費米於1946年初離職回到芝加哥大學任教，轉入粒子物理這個新領域的研究。一批有為的青年慕名來到芝加哥大學，聚集在他的左右，其中如楊振寧、李政道、M.蓋耳-曼和O.張伯倫等人，後來都成為有重要貢獻的物理學家。芝加哥大學的同步回旋加速器建成以後，費米和他的小組於1951年發現了第一個核子共振態。
楊振寧於1945年獲獎學金離開中國赴美國留學，他渴望在費米的指導下學習，為此來到哥倫比亞大學。當他得知費米已轉到芝加哥大學時，便又前往芝加哥讀研究生。後來，費米和楊振寧在基本粒子的研究中共同提出了“費米-楊振寧模型”。
反應堆冷中子源中子物理學計算
在一座新研究堆上正在建立冷中子源(CNS，簡稱冷源)裝置，為今後在該堆上開展中子散射實驗提供多種特徵波長的冷中子束。所謂“冷中子”，通常指能量為0.1-5meV的中子，這種中子的波長與原子間距、分子間距相當，其能量與原子間熱運動具有同一數量級，是在分子原子水平上研究物質結構和微觀運動規律的理想工具之一。在這座反應堆冷中子源建成投產的早中期，曾對中子物理學參數進行了多次計掣，但因最終建成的冷源實際方案以及影響冷中子輸出的某些反應堆參數出現局部調整，故須重新計算該冷源的中子物理學參數，計算結果可用於正確評估該冷源的實際性能，指導套用。冷源中子物理參數包括冷源慢化劑中的冷中子注量率、中子能譜分布及冷中子增益因子等，其計算結果可為使用冷中子的各種中子譜儀提供設計輸入參數。液氫慢化劑正、仲氫的比例以及慢化劑溫度等因素，對冷源中子輸出能譜具有較大影響，為此，有必要對其進行對比計算。
計算條件與模型
採用蒙特卡羅三維粒子輸運計算軟體MCNP完成冷源中子物理參數計算，用基於ENDF—BV截面庫，力圖真實模擬冷源非均勻三維幾何結構。
圖1 冷源結構的MCNP計算模犁的豎(a)、橫(b)剖面圖
圖1 冷源結構的MCNP計算模犁的豎(a)、橫(b)剖面圖MCNP計算模型與反應堆堆芯結構及堆芯附近的冷源結構基本一致。慢化劑室為環形結構，環形空間充滿溫度為20K的液氫，液氫靠氦氣冷卻。為得到慢化劑室內冷中子注量率的空間分布信息，計算中將慢化劑室中間環柱體液氫部分上下劃分為6部分，每部分又在周向分成6個扇形區域，即慢化劑室環柱體液氫部分共分為36個計數區域(圖1)。
中子注最率計算中，僅考慮冷態無燃耗狀態；冷包內液氫平均溫度為20K，密度為0.071g/cm3。計算結果按反應堆功率進行了歸一化處理。
計算結果及討論
（1）慢化劑室內冷中子注量率及能譜
計算得到慢化劑室內平均中子注量率為6.69×1013/cm-2·S-1，其中冷中子注量率(En<5meV)為2.0×1013/cm2·S-1，熱中子注量率(En<0.215eV)為6.23×1013/cm-2·S-1。正、仲氫比例會影響慢化劑性能，計算外，取正、仲氫各占50%。
圖2 冷源冷中子波長譜
圖2 冷源冷中子波長譜該冷源僅一個冷中子引出孔道(圖1)，計算得到引出孔道對應處60°扇區內直圓柱段液氫慢化劑內平均中子注量率為5.0×1013/cm2·S-1，其波長譜中(圖2)，注量率峰值在0.375nm處，對應的最大中子注量率為4.38×1013/cm2·S-1。
（2）冷中子增益
冷中子增益即冷慢化劑和暖慢化劑中冷中子注量率的比率。暖慢化劑指300 K的慢化介質。計算時要求常溫介質具有類似低溫介質的中子散射特性，在以液氫為冷介質的冷源系統下，暖慢化劑可使用同體積輕水。圖3為正對冷中子水平孔道入口的60°扇區內直圓柱段液氫慢化劑的冷中子增益曲線，波長0.4nm和0.6nm對應的增益分別為16和32，符合冷源設計要求。
圖3 冷中子增益
圖3 冷中子增益（3）慢化劑中正、仲氫比例的影響
常溫下，氫慢化劑由分子自旋方向相反的75%正氫(ortho-hydrogen)和25%仲氫(para—hydrogen)組成，在20K低溫穩態下，仲氧所占比例增至99.8%，有助於冷中子從慢化劑中逸出，從而增加冷中子增益。然而，實際中的冷中子增益還受到慢化劑層厚度、冷源外圍反射體結構與布局設計等多種因素的影響，是複雜的冷源中子物理設計方面的問題。
圖4 不同正仲氧比例下的冷中子波長譜
圖4 不同正仲氧比例下的冷中子波長譜20K環境下，若無轉換催化劑的作用，正氫向仲氫轉換速度緩慢。因此，從冷源裝置低溫運行時刻起，慢化劑中仲氫比例隨裝置運行時間逐漸增加，最終達到動態平衡(仲氫比例99.8%)，此過程約數十至一百多小時。在此過程中，不同時刻輸出的冷中子譜有差異，為此，對該冷源慢化劑中正、仲氫不同比例進行對比計算。由圖4的計算結果，正、仲氫比例對該冷源的中子輸出能譜影響較為明顯。
（4）慢化劑溫度的影響
圖5 不同溫度慢化劑的冷中子波長譜
圖5 不同溫度慢化劑的冷中子波長譜