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中性子は素粒子であり、記号はnまたはn₀で表される。中性子は、電荷を持たず、質量が陽子よりわずかに大きい粒子である。中性子は1932年にジェームズ・チャドウィックによって発見され、1938年の核分裂の発見、最初の自立型原子炉（シカゴ・パイル1号、1942年）、そして最初の核兵器（トリニティ、1945年）の開発につながった。
中性子は、同数の陽子とともに原子核に存在します。中性子の数だけが異なる化学元素の原子は同位体と呼ばれます。自由中性子は、核分裂と核融合で大量に生成されます。これらは、核分裂、核融合、および中性子捕獲過程を通じて、恒星内部での化学元素の核合成に大きく寄与します。質量の大きな恒星が崩壊して形成される中性子星は、原子核と同じ密度の中性子から構成されていますが、総質量は太陽よりも大きくなります。
中性子の性質と相互作用は原子核物理学によって記述されます。中性子は素粒子ではなく、それぞれが3つのクォークから構成されています。自由中性子は、平均寿命約15分で、陽子、電子、反ニュートリノに自発的に崩壊します。
中性子は原子力発電に不可欠です。中性子発生器、研究炉、核破砕中性子源などの専用中性子源は、照射実験や中性子散乱実験に使用する自由中性子を生成します。自由中性子は原子を直接電離しませんが、間接的に電離放射線を引き起こすため、線量によっては生物学的危険となる可能性があります。地球上には、宇宙線や地殻中の自発的に核分裂する元素の自然放射能によって生じる、わずかな自然の「中性子バックグラウンド」自由中性子束が存在します。
中性子の発見とその性質の物語は、20世紀前半に起こった原子物理学の驚異的な発展の中心であり、最終的には1945年の原子爆弾の開発につながった。その名前は、ラテン語のneutralis（中性）の語根とギリシャ語の接尾辞-on （電子や陽子などの素粒子の名前に使われる接尾辞）に由来し[ 9 ] [ 10 ] 、原子の性質についての議論に関連して、1899年にはすでに文献に中性子という 言葉への言及が見られる[ 11 ] 。
1911年のラザフォードモデルでは、原子は正に帯電した小さな巨大な原子核と、その周囲を取り囲むはるかに大きな負に帯電した電子の雲から構成されていました。1920年、アーネスト・ラザフォードは、原子核は正の陽子と中性の粒子から構成され、中性の粒子は陽子と電子が何らかの形で結合していると考えられました。[ 12 ]ベータ線は原子核から放出される電子から構成されていることが知られていたため、電子は原子核内に存在すると考えられました。 [ 12 ] [ 13 ]ラザフォードが中性の陽子と電子の複合体を提唱した頃、同様の提唱をする他のいくつかの論文が発表され、1921年にアメリカの化学者WDハーキンスが初めてこの仮説上の粒子を「中性子」と名付けました。[ 14 ] [ 11 ]
1920年代を通して、物理学者たちは原子核が陽子と「核電子」で構成されていると想定していた。[ 15 ] [ 16 ] 1928年以降、このモデルが当時新しかった量子論と矛盾することが明らかになった。原子核と同じ大きさの体積に閉じ込められた電子は、量子力学のハイゼンベルクの不確定性関係に合致し、原子核の結合エネルギーを超えるエネルギーを持つことになる。[ 17 ] [ 18 ]エネルギーがあまりにも大きいため、1928年にオスカー・クラインによって発見されたクラインのパラドックス[19]によれば、電子は原子核の閉じ込めから脱出することになる。[ 17 ]さらに、原子や分子の観測された性質は、陽子-電子仮説から予想される核スピンと矛盾していた。陽子と電子はどちらも1 / 2ħの固有スピンを持ち、同じ種の同位体は整数スピンまたは分数スピンを持つことがわかっています。仮説によれば、同位体は同じ数の陽子から構成されますが、中性の結合した陽子+電子「粒子」の数は異なります。この物理的イメージは矛盾しています。なぜなら、電子と陽子のスピンを結合状態で配置して分数スピンを得る方法はないからです。[ 17 ]
1931年、ヴァルター・ボーテとヘルベルト・ベッカーは、ポロニウムからのアルファ粒子放射線がベリリウム、ホウ素、またはリチウムに当たると、異常に透過力の強い放射線が発生することを発見した。この放射線は電場の影響を受けなかったため、ボーテとベッカーはこれをガンマ線と考えた。[ 20 ] [ 21 ]翌年、パリのイレーヌ・ジョリオ＝キュリーとフレデリック・ジョリオ＝キュリーは、この「ガンマ」放射線がパラフィン、またはその他の水素含有化合物に当たると、非常に高エネルギーの陽子を放出することを示した。[ 22 ]ラザフォードもケンブリッジのキャベンディッシュ研究所のジェームズ・チャドウィックも、ガンマ線解釈に納得しなかった。[ 23 ]チャドウィックはすぐに一連の実験を行い、新しい放射線は陽子とほぼ同じ質量の電荷を持たない粒子で構成されていることを明らかにした。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]これらの特性はラザフォードが仮説を立てた中性子と一致した。チャドウィックはこの発見により1935年のノーベル物理学賞を受賞した。[ 2 ]
陽子と中性子からなる原子核のモデルは、ヴェルナー・ハイゼンベルク[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]や他の研究者によって急速に発展した[ 30 ] [ 31 ] 。陽子-中性子モデルは、核スピンの謎を解明した。ベータ線の起源は、1934年にエンリコ・フェルミによってベータ崩壊の過程によって説明された。ベータ崩壊では、中性子が電子と当時まだ発見されていなかったニュートリノを生成して陽子に崩壊する[ 32 ] 。 1935年、チャドウィックと彼の博士課程の学生モーリス・ゴールドハーバーは、中性子の質量の最初の正確な測定を報告した[ 33 ] [ 34 ]。
1934年までに、フェルミはより重い元素に中性子を照射して、原子番号の大きい元素に放射能を誘発した。1938年、フェルミは「中性子照射によって生成される新しい放射性元素の存在を実証したこと、および低速中性子によって引き起こされる核反応の関連する発見」によりノーベル物理学賞を受賞した。 [ 35 ] 1938年12月、オットー・ハーン、リーゼ・マイトナー、フリッツ・シュトラスマンは、中性子照射によって誘発されるウラン原子核のより軽い元素への分画、すなわち核分裂を発見した。 [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] 1945年、ハーンは「重い原子核の核分裂の発見」により1944年のノーベル化学賞を受賞した。 [ 40 ] [ 41 ] [ 42 ]
核分裂の発見は、第二次世界大戦終結までに原子力発電と原子爆弾の開発につながった。核分裂反応で中性子が生成されると、これらの中性子のそれぞれが核連鎖反応として知られる連鎖反応でさらに核分裂反応を引き起こす可能性があることがすぐに認識された。[ 43 ]： 460-461 [ 44 ]これらの出来事と発見により、フェルミは1942年にシカゴ大学に最初の自立型原子炉であるシカゴ・パイル1を建設した。 [ 45 ]わずか3年後、マンハッタン計画は1945年7月に最初の原子爆弾、トリニティ核実験を実験することができた。[ 45 ]
原子核は、核力によって結合された多数の陽子Z (原子番号) と多数の中性子N (中性子数) によって形成されます。陽子と中性子はそれぞれ約 1ダルトンの質量を持ちます。原子番号は原子の化学的性質を決定し、中性子数は同位体または核種を決定します。[ 44 ] : 4同位体と核種という用語はしばしば同義語として使用されますが、それぞれ化学的性質と核的性質を指します。[ 44 ] : 4同位体は、原子番号は同じですが中性子数が異なる核種です。中性子数は同じですが原子番号が異なる核種は、同位体と呼ばれます。[ 46 ]原子質量数Aは、原子番号と中性子数の合計に等しくなります。原子質量数は同じだが、原子番号と中性子数が異なる核種は同重体と呼ばれる。[ 46 ]原子核の質量は常に陽子と中性子の質量の合計よりわずかに小さい。この質量の差は核結合エネルギーに相当する質量であり、原子核を分解するために必要なエネルギーである。[ 47 ] : 822
水素原子の最も一般的な同位体（化学記号は1 H）の原子核は、陽子が 1 つだけです。[ 44 ] : 20重い水素同位体である重水素（D または2 H）と三重水素（T または3 H）の原子核は、それぞれ 1 つと 2 つの中性子に結合した 1 つの陽子を含んでいます。[ 44 ] : 20他のすべての種類の原子核は、2 個以上の陽子とさまざまな数の中性子で構成されています。たとえば、一般的な化学元素である鉛の最も一般的な核種である208 Pb は、82 個の陽子と 126 個の中性子を持っています。 [ 48 ]核種の表には、既知のすべての核種が含まれています。中性子は化学元素ではありませんが、この表に含まれています。[ 49 ]
陽子と中性子は、原子核内の核力の影響下ではほぼ同じように振る舞う。そのため、両者はまとめて核子と呼ばれる。[ 50 ]陽子と中性子を同一粒子の2つの量子状態とみなすアイソスピンの概念は、核力または弱い力による核子の相互作用をモデル化するために用いられる。[ 51 ] : 141
中性子は、陽子を複数含む原子核に不可欠な構成要素です。陽子は正の電荷を持つため、相互作用する陽子間の電磁反発力は核力による引力よりも強く、陽子のみからなる原子核は不安定です（二陽子と中性子-陽子比を参照）。[ 52 ]中性子は原子核内で陽子や他の中性子と核力によって結合し、陽子間の反発力を効果的に緩和して原子核を安定化させます。[ 43 ] : 461重い原子核は大きな正電荷を持つため、安定するには「余分な」中性子が必要です。[ 43 ] : 461
自由中性子は不安定で自由陽子は安定ですが、原子核内では中性子は安定していることが多く、陽子は不安定になることがあります。原子核内に束縛された核子は、ベータ崩壊によって崩壊することがあります。原子核内の中性子と陽子は、核殻モデルに従って量子力学的システムを形成します。核種の陽子と中性子は、固有の量子数を持つ離散的な階層的エネルギー準位に組織化されています。原子核内での核子の崩壊は、基本的なエネルギー保存則と量子力学的制約によって許容される場合に発生します。崩壊生成物、つまり放出される粒子は、核子が1つの量子状態からよりエネルギーの低い量子状態に遷移する際に余剰エネルギーを運び去り、中性子（または陽子）は陽子（または中性子）に変化します。
中性子が崩壊するには、生成される陽子が、元の中性子の状態よりも低いエネルギーの利用可能な状態を必要とします。安定な原子核では、可能な低いエネルギー状態はすべて満たされており、つまり、各状態は一対の陽子によって占められており、一方はスピンアップ、もう一方はスピンダウンです。利用可能な陽子状態がすべて満たされている場合、パウリの排他原理により、中性子から陽子への崩壊は許されません。[ 53 ]： §3.3この状況は、原子の電子に似ています。異なる原子軌道を占める電子は、排他原理により、すでに占有されている低いエネルギー状態に崩壊することが阻止されます。[ 53 ]： §3.3物質の安定性は、これらの制約の結果です。[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ]
核種内のニュートロンの崩壊は、陽子6個と中性子8個を持つ炭素同位体炭素14の崩壊によって説明されます。中性子が過剰にあるこの同位体は、ベータ崩壊によって窒素14 （陽子7個、中性子7個）に崩壊します。この過程の半減期は約100万年です。5,730 年。[ 57 ]窒素 14 は安定している。[ 58 ]
中性子は原子核に強く束縛されており、そこから脱出するにはMeVサイズのエネルギーが必要です。自由になった中性子は平均して15分で崩壊します。そのため、自由中性子は原子の他の構成要素に比べてまれです。電子は電球のフィラメントを加熱することで解放され、陽子は水素ガスの急速な燃焼で解放されます。さらに、例えば原子炉で解放された電荷のない中性子は、方向付け、閉じ込め、または検出することが困難です。[ 59 ]
中性子の平均二乗半径は約0.8 × 10 −15 m 、または 中性子は0.8 fm であり、[ 60 ]スピン1/2のフェルミオンです。[ 61 ]中性子には測定可能な電荷がありません。陽子は正の電荷を持つため、電場によって直接影響を受けますが、中性子は電場の影響を受けません。[ 62 ]しかし、中性子は磁気モーメントを持つため、磁場の影響を受けます。[ 63 ]中性子の具体的な特性については、以下の「固有特性」のセクションで説明します。
ダイニュートロンは、中性子過剰の<sup> 16 </sup> Be原子核の構成要素と考えられており[ 64 ] 、寿命が10 <sup>-22 </sup>秒未満の非束縛状態である。この状態の最初の証拠は、1965年にHaddockらによって報告された[ 65 ]： 275
ベリリウム-14原子核の崩壊[ 66 ] 、 8He – 8Be相互作用[ 67 ] 、および4He原子核の衝突における共鳴としての4つの中性子の非束縛クラスター、またはテトラニュートロンの証拠は、約10−22秒の寿命を推定する。[ 68 ] これらの発見は、核力の理解を深めるはずである。[ 69 ] [ 70 ]
極めて高い圧力と温度では、核子と電子は崩壊して中性子物質と呼ばれる塊状の中性子物質になると考えられている。これは中性子星で起こると推測されている。[ 71 ]
中性子星内部の極度の圧力により、中性子が立方対称に変形し、中性子がより密に充填される可能性がある。[ 72 ]
素粒子物理学の標準模型の理論的枠組みでは、中性子は電荷 − 1/3 e のダウンクォーク 2 個と電荷 + 2/3 e のアップクォーク 1 個から構成されます。したがって、中性子はハドロンに分類される複合粒子です。中性子は、3つの価クォークから構成されているため、バリオンにも分類されます。 [ 73 ]中性子の有限サイズと磁気モーメントは、中性子が素粒子ではなく複合粒子であることを示しています。
中性子のクォークは、グルーオンを介して強い力によって結合している。[ 74 ]核力は、より基本的な強い力の二次的な効果から生じる。
中性子の崩壊モードのうち、バリオン数の保存則を満たす唯一のモードは、弱い相互作用によって中性子のクォークの1つがフレーバーを変える（カビボ・小林・益川行列を介して）ことである。中性子のダウンクォークの1つがより軽いアップクォークに崩壊するには、 Wボソンの放出が必要となる。この過程、すなわちベータ崩壊の標準模型では、中性子は陽子（ダウンクォーク1つとアップクォーク2つを含む）、電子、および電子反ニュートリノに崩壊する。
陽子が中性子に崩壊するのも、同様に弱い力によって起こります。陽子のアップクォークの一つがダウンクォークに崩壊するには、Wボソンを放出する必要があります。陽子は中性子、陽電子、そして電子ニュートリノに崩壊します。この反応は、生成された中性子が利用できる低エネルギーの量子状態を持つ原子核内でのみ起こります。
原子核内の陽子と中性子は同様の振る舞いをし、同様の反応によって互いの性質を交換することができます。これらの反応は、ベータ崩壊として知られる放射性崩壊の一種です。[ 75 ]中性子が陽子に、またはその逆へと崩壊するベータ崩壊は、弱い力によって支配され、電子とニュートリノ、あるいはそれらの反粒子の放出または吸収を必要とします。[ 76 ]中性子と陽子の崩壊反応は次のとおりです。
ここでp +、e −、およびνe は陽子、電子、電子反ニュートリノ崩壊生成物を表し、 [ 77 ]および
n 0 の場合、e +、およびνeは、中性子、陽電子、および電子ニュートリノの崩壊生成物を表す。
これらの反応で生成される電子と陽電子は、歴史的にベータ粒子として知られており、それぞれβ−またはβ+と表記され、崩壊過程の名前の由来となっている。[ 76 ]これらの反応では、元の粒子は生成粒子から構成されているのではなく、生成粒子は反応の瞬間に生成される。 [ 43 ]： 369–370
「ベータ崩壊」反応は、核子によるレプトンの捕獲によっても起こり得る。原子核内部での陽子から中性子への変換は、電子捕獲によって可能となる。[ 78 ]
より稀な反応である逆ベータ崩壊は、核子によるニュートリノの捕獲を伴う。[ 79 ] さらに稀な反応として、恒星の高温環境では陽電子が中性子に捕獲されることがある。[ 80 ]
中性子は電荷を持たないため、質量分析法で直接質量を測定することはできません。しかし、陽子と重水素の質量は質量分析計で測定できるため、中性子の質量は、重水素の質量から陽子の質量を差し引くことで推定できます。その差は、中性子の質量と重水素の結合エネルギー（正の放出エネルギーとして表される）の合計になります。後者は、エネルギー（）シングルの2.224 MeVのガンマ光子は、陽子が中性子を捕獲して重水素が形成されるときに放出されます (これは発熱反応であり、ゼロエネルギー中性子で起こります)。小さな反跳運動エネルギー (重水素の ）（全エネルギーの約 0.06%）も考慮に入れる必要がある。
ガンマ線のエネルギーは、1948年にベルとエリオットが初めて行ったように、X線回折法によって高精度で測定することができる。この手法による中性子質量の最新の（1986年）最良の値は、グリーンらによって提供されている[ 81 ] 。これらの値から、中性子質量は次のようになる。
中性子質量のMeV単位の値は、 DaからMeV / c2への既知の変換の精度が低いため、あまり正確にはわかっていません。[ 53 ] : 18–19
中性子の質量を決定するもう一つの方法は、中性子のベータ崩壊から出発し、その際に生成される陽子と電子の運動量を測定することである。
中性子はスピン 1 / 2 粒子、すなわち、固有角運動量が 1 / 2 ħに等しいフェルミオンである。ここでħは換算プランク定数である。中性子の発見後、長年にわたり、その正確なスピンは曖昧であった。スピン 1 / 2 ディラック粒子であると仮定されていたが、中性子がスピン 3 / 2 粒子である可能性が残っていた。中性子の磁気モーメントと外部磁場との相互作用を利用して、最終的に中性子のスピンが決定された。[ 82 ] 1949 年、ヒューズとバーギーは強磁性ミラーから反射された中性子を測定し、反射の角度分布がスピン 1 / 2 と一致することを発見した。[ 83 ] 1954年、シャーウッド、スティーブンソン、バーンスタインは、磁場を用いて中性子のスピン状態を分離するシュテルン＝ゲルラッハ実験で中性子を用いた。彼らは、スピン1/2粒子と一致する2つのスピン状態を記録した。[ 82 ] [ 84 ]
フェルミオンである中性子はパウリの排他原理に従う。2つの中性子は同じ量子数を持つことはできない。これが中性子星の重力に対抗し、ブラックホールの形成を防ぐ縮退圧の源である。 [ 85 ]
中性子は中性粒子であるにもかかわらず、中性子の磁気モーメントはゼロではない。中性子は電場の影響を受けないが、磁場の影響を受ける。中性子の磁気モーメントの値は、1940年にカリフォルニア州バークレーでルイス・アルバレスとフェリックス・ブロッホによって初めて直接測定された。 [ 86 ]アルバレスとブロッホは、中性子の磁気モーメントをμ n =と決定した。−1.93(2) μ N 、ここでμ Nは核磁子である。中性子の磁気モーメントは、その向きが中性子のスピンと逆であるため、負の値をとる。 [ 87 ]
中性子の磁気モーメントは、そのクォークのサブ構造と内部電荷分布の指標である。[ 88 ]ハドロンのクォークモデルでは、中性子は1つのアップクォーク（電荷+2/3 e）と2つのダウンクォーク（電荷-1/3 e）で構成されている。[ 88 ]中性子の磁気モーメントは、構成クォークの磁気モーメントの和としてモデル化できる。[ 89 ]この計算では、クォークはそれぞれ独自の磁気モーメントを持つ点状のディラック粒子のように振る舞うと仮定している。簡単に言えば、中性子の磁気モーメントは、3つのクォークの磁気モーメントのベクトル和と、中性子内の3つの荷電クォークの運動によって生じる軌道磁気モーメントの和から生じると考えることができる。
標準模型の初期の成功例の一つとして、1964年にミルザ・AB・ベグ、ベンジャミン・W・リー、アブラハム・パイスは陽子と中性子の磁気モーメントの比を-3/2（または-1.5）と計算し、これは実験値と3%以内で一致した。[ 90 ] [ 91 ] [ 92 ]この比の測定値は−1.459 898 05 (34) . [ 8 ]
上記の手法では、中性子と陽子を比較することで、クォークの複雑な挙動をモデル間で差し引くことができ、異なるクォーク電荷（またはクォークの種類）がどのような影響を与えるかのみを調べます。このような計算によって、中性子の内部構造は陽子の内部構造と非常によく似ていることが示されます。ただし、陽子のアップクォークが中性子のダウンクォークに置き換わっているというクォーク構成の違いはあります。
中性子の磁気モーメントは、3 つのクォークで構成されるバリオンの単純な非相対論的量子力学的波動関数を仮定することで概算できます。簡単な計算により、中性子、陽子、およびその他のバリオンの磁気モーメントのかなり正確な推定値が得られます。 [ 89 ]中性子の場合、この計算の結果、中性子の磁気モーメントはμ n = 4/3 μ d − 1/3 μ uで与えられます。ここで、μ dとμ uはそれぞれダウン クォークとアップ クォークの磁気モーメントです。この結果は、クォークの固有磁気モーメントと軌道磁気モーメントを組み合わせたもので、3 つのクォークが特定の支配的な量子状態にあることを仮定しています。
この計算結果は有望ですが、アップクォークまたはダウンクォークの質量は核子の質量の 1/3 であると仮定されていました。[ 89 ]クォークの質量は実際には核子の質量の約 1% にすぎません。[ 93 ]この不一致は、核子の標準模型の複雑さに起因しており、その質量の大部分は、強い力の本質的な側面であるグルーオン場、仮想粒子、およびそれらに関連するエネルギーに由来します。[ 93 ] [ 94 ]さらに、中性子を構成するクォークとグルーオンの複雑なシステムには、相対論的処理が必要です。[ 95 ]しかし、核子の磁気モーメントは、前述のすべての効果を含め、クォーク質量のより現実的な値を使用して、第一原理から数値的に計算することに成功しました。この計算は測定値とかなり一致する結果をもたらしましたが、かなりの計算リソースが必要でした。[ 96 ] [ 97 ]
中性子の総電荷は0 e 。このゼロ値は実験的に検証されており、中性子の電荷の現在の実験的限界は−2(8) × 10 −22 e 、[ 7 ]または−3(13) × 10 −41 C 。この値は、実験誤差（括弧内に示す）を考慮すると、ゼロと一致する。比較すると、陽子の電荷は+1 e 。
素粒子物理学の標準模型は、中性子内部の正電荷と負電荷のわずかな分離によって永久電気双極子モーメントが生じると予測している。[ 98 ]しかし、予測値は現在の実験の感度をはるかに下回っている。素粒子物理学におけるいくつかの未解決の謎から明らかなように、標準模型はすべての粒子とその相互作用の最終的かつ完全な記述ではない。標準模型を超える新しい理論は、一般的に中性子の電気双極子モーメントについてより大きな予測値をもたらす。現在、有限の中性子電気双極子モーメントを初めて測定しようとする実験が少なくとも4つあり、以下が含まれる。
反中性子は中性子の反粒子です。反陽子が発見された翌年の1956年にブルース・コークによって発見されました。中性子のバリオン数は1ですが、反中性子のバリオン数は-1です。測定されたすべての粒子相互作用はバリオン数を保存しますが、宇宙では物質が反物質よりも優勢であるため、バリオン数を変化させる何らかの方法があるはずです。提案されているメカニズムの1つは、検出可能な中性子-反中性子振動です。 [ 104 ] [ 105 ]冷中性子を使用して、振動周期の下限値0.86 × 10⁸秒（90%信頼水準）が得られました。[ 106 ]超冷中性子は、壁からの中性子反射のモデルに応じて、感度を10～40倍に高める可能性があります。[ 107 ]
イオン化の軌跡を探すことによって荷電粒子を検出する一般的な方法（霧箱など）は、中性子には直接適用できません。原子から弾性散乱した中性子は検出可能なイオン化の軌跡を生成しますが、実験はそれほど簡単には実行できません。中性子を原子核と相互作用させることによって中性子を検出する他の方法がより一般的に使用されています。したがって、中性子を検出するために一般的に使用される方法は、主に中性子捕獲または弾性散乱という、依存する核プロセスに応じて分類できます。[ 108 ]
中性子を検出する一般的な方法は、中性子捕獲反応から放出されるエネルギーを電気信号に変換することです。特定の核種は中性子捕獲断面積（中性子を吸収する確率）が高いです。中性子が捕獲されると、複合核はより検出しやすい放射線、例えばアルファ粒子を放出し、それが検出されます。核種3彼は、6歳李、10B、233U、235U、237Np、および239プルトニウムはこの目的に役立つ。
中性子は原子核から弾性散乱を起こし、衝突した原子核を反跳させる。運動学的には、中性子は水素やヘリウムなどの軽い原子核に、より重い原子核よりも多くのエネルギーを伝達することができる。弾性散乱を利用する検出器は、高速中性子検出器と呼ばれる。反跳する原子核は、衝突によってさらに原子を電離および励起することができる。このようにして生成された電荷および/またはシンチレーション光を収集して検出信号を生成することができる。高速中性子検出における大きな課題は、同じ検出器内でガンマ線によって生成された誤った信号からこのような信号を識別することである。パルス波形弁別などの方法は、中性子信号とガンマ線信号を区別するために使用できるが、特定の無機シンチレータベースの検出器は、追加の技術なしで本質的に混合放射線場の中性子を選択的に検出するように開発されている[ 109 ] [ 110 ] 。
高速中性子検出器は減速材を必要としないという利点があり、そのため中性子のエネルギー、到達時間、場合によっては入射方向を測定することができる。
自由中性子は不安定な粒子ですが、不安定な素粒子の中では数桁も長い半減期を持っています。それでも半減期は約10分程度なので、継続的に生成できる供給源からしか得ることができません。
自然中性子背景。地球上のあらゆる場所に、自由中性子の小さな自然背景フラックスが存在する。[ 111 ]大気中および深海では、「中性子背景」は、宇宙線が大気と相互作用して生成されるミューオンによって引き起こされる。これらの高エネルギーミューオンは、水や土壌のかなり深いところまで侵入することができる。そこで、原子核に衝突すると、他の反応の中でも、原子核から中性子が放出される核破砕反応を引き起こす。地殻内では、2番目の発生源は、主に地殻鉱物中に存在するウランとトリウムの自発的核分裂によって生成される中性子である。中性子背景は生物学的危険となるほど強くはないが、暗黒物質の粒子によって引き起こされる可能性のある（仮説上の）相互作用など、非常にまれな事象を探している非常に高解像度の粒子検出器にとっては重要である。[ 111 ]最近の研究では、雷雨でさえ数十 MeV までのエネルギーを持つ中性子を生成する可能性があることが示されています。[ 112 ]最近の研究では、これらの中性子のフルエンスは、検出高度に応じて、1 ms あたりおよび 1 m 2あたり 10 −9～ 10 −13の範囲にあることが示されています。これらのほとんどの中性子のエネルギーは、初期エネルギーが 20 MeV であっても、1 ms 以内に keV 範囲まで減少します。[ 113 ]
火星の表面では、さらに強力な中性子背景放射線が発生します。大気は宇宙線ミューオン生成と中性子核破砕によって中性子を生成するのに十分な厚さですが、生成された中性子から十分な保護を提供するほど厚くはありません。これらの中性子は、直接下向きに照射される中性子放射線による火星表面の中性子放射線の危険をもたらすだけでなく、火星表面からの反射によっても重大な危険をもたらす可能性があります。反射された中性子放射線は、床から火星の宇宙船や居住施設に上向きに侵入します。[ 114 ]
研究用のニュートロン源には、特定の種類の放射性崩壊（自発核分裂と中性子放出）や、特定の核反応によるものがあります。便利な核反応としては、ベリリウムや重水素などの特定の核種への自然アルファ線やガンマ線照射といった卓上反応や、原子炉で起こるような誘導核分裂などがあります。さらに、高エネルギー核反応（宇宙線シャワーや加速器衝突などで起こる）でも、標的核の崩壊によってニュートロンが生成されます。このようにして自由ニュートロンを生成するように最適化された小型（卓上型）粒子加速器は、ニュートロン発生器と呼ばれます。
実際には、最も一般的に使用されている小型実験室用中性子源は、放射性崩壊を利用して中性子を生成します。中性子を生成する放射性同位体として有名なカリホルニウム-252は、自発核分裂（半減期2.65年）により3%の確率で崩壊し、核分裂1回あたり3.7個の中性子を生成します。この過程から中性子源として単独で使用されます。放射性同位体によって駆動される核反応源（2つの物質を含む）は、アルファ崩壊源とベリリウム標的、またはベータ崩壊後にガンマ崩壊を起こす高エネルギーガンマ線源を使用します。この高エネルギーガンマ線は、通常の安定ベリリウム、または重水中の重水素と相互作用して光中性子を生成します。後者のタイプの一般的な供給源は、半減期が60.9日の放射性アンチモン124とベリリウムの混合物であり、これは天然アンチモン（安定アンチモン123が42.8%）を原子炉で中性子で活性化して作られ、中性子源が必要な場所に輸送される。 [ 115 ]
原子炉は自然に自由中性子を生成し、その役割はエネルギー生成連鎖反応を維持することである。また、この強力な中性子放射線は、中性子活性化（中性子捕獲の一種）というプロセスを通して、様々な放射性同位元素を生成するためにも利用できる。
実験的な核融合炉は、廃棄物として自由中性子を生成します。しかし、エネルギーの大部分はこれらの中性子にあり、そのエネルギーを有用な形に変換することは、困難な工学的課題であることがわかっています。中性子を生成する核融合炉は放射性廃棄物を生成する可能性が高いですが、その廃棄物は中性子活性化された軽い同位体で構成されており、崩壊期間は比較的短い（50～100年）です。これは、アルファ線を放出する超ウラン元素アクチニドの長い半減期が主な原因である核分裂廃棄物の典型的な半減期10,000年[ 116 ]と比較したものです[ 117 ] 。核融合と核分裂のハイブリッドの中には、これらの中性子を利用して、臨界未満の原子炉を維持したり、有害な長寿命核廃棄物をより短い寿命または安定した核種に核変換するのを助けたりすることが提案されているものもあります。
自由中性子ビームは、中性子輸送によって中性子源から得られる。高強度の中性子源を利用するには、研究者は研究用原子炉または核破砕中性子源を稼働させている専門の中性子施設に行かなければならない。
中性子は全電荷を持たないため、方向を変えたり加速したりすることが難しい。荷電粒子は電場や磁場によって加速、減速、または偏向させることができる。これらの方法は中性子にはほとんど効果がない。しかし、中性子の磁気モーメントのため、不均一な磁場を使用することで何らかの効果が得られる可能性がある。中性子は減速、反射、速度選択などの方法で制御できる。熱中性子は、光子のファラデー効果に類似した方法で磁性材料を透過させることにより偏極させることができる。波長が6～7オングストロームの冷中性子は、磁気ミラーや磁化干渉フィルターを使用することで、高度に偏極したビームとして生成できる。[ 118 ]
核力は短距離では強いため、核子を結合する核エネルギーは、原子内の電子を結合する電磁エネルギーよりも何桁も大きい。[ 44 ] : 4核分裂では、一部の重い核種（ウラン235など）による中性子の吸収により、核種が不安定になり、より軽い核種と追加の中性子に分裂することがある。[ 44 ]正に帯電した軽い核種、つまり「核分裂断片」は反発し、電磁ポテンシャルエネルギーを放出する。[ 119 ]この反応が核分裂性物質の塊の中で起こると、追加の中性子が追加の核分裂事象を引き起こし、核連鎖反応として知られるカスケードを誘発する。[ 44 ] : 12-13一定量の核分裂性物質の場合、このような核反応は、同量の従来の化学爆薬から放出されるエネルギーの約1000万倍のエネルギーを放出する。[ 44 ] : 13 [ 120 ]最終的に、核成分の電磁反発から生じるエネルギーを蓄積する核力の能力が、原子炉や爆弾を可能にするエネルギーの大部分の基礎となっている。核分裂から放出されるエネルギーの大部分は、核分裂生成物の運動エネルギーである。[ 119 ] [ 44 ] : 12
中性子は多くの核反応において重要な役割を果たします。例えば、中性子捕獲はしばしば中性子活性化を引き起こし、放射能を誘発します。特に、中性子とその挙動に関する知識は、原子炉や核兵器の開発において重要でした。ウラン235やプルトニウム239などの元素の核分裂は、これらの元素が中性子を吸収することによって引き起こされます。
冷中性子、熱中性子、および高温中性子放射線は、中性子回折、小角中性子散乱、および中性子反射率測定のための中性子散乱施設で一般的に使用されています。低速中性子物質波は、反射、屈折、回折、および干渉を含む、光の幾何光学および波動光学と同様の特性を示します。 [ 121 ]中性子は、異なる散乱断面積による原子コントラスト、磁気に対する感度、非弾性中性子分光法のエネルギー範囲、および物質への深い浸透という点で、 X線と相補的です
中空ガラス毛細管内での全反射またはディンプル加工されたアルミニウム板からの反射に基づく「中性子レンズ」の開発は、中性子顕微鏡および中性子/ガンマ線トモグラフィーの継続的な研究を推進してきた。[ 122 ] [ 123 ] [ 124 ] [ 125 ]
中性子の主な用途の一つは、物質中の元素から遅発ガンマ線と即発ガンマ線を励起することです。これは、中性子放射化分析（NAA）と即発ガンマ線中性子放射化分析（PGNAA）の基礎となります。NAAは主に原子炉内の少量の物質サンプルを分析するために用いられ、PGNAAは主に掘削孔周辺の地下岩石やコンベアベルト上の工業用バルク材料を分析するために用いられます。
中性子放出体のもう一つの用途は、軽原子核、特に水分子に含まれる水素原子核の検出です。高速中性子が軽原子核に衝突すると、エネルギーの大部分を失います。中性子プローブは、水素原子核に反射してプローブに戻ってくる低速中性子の速度を測定することで、土壌中の水分量を判定することができます。
中性子線は透過性と電離作用の両方を持つため、医療用途に利用できる可能性がある。しかし、中性子線には照射部位が放射能汚染されるという好ましくない副作用がある。そのため、中性子断層撮影は実用的な医療応用とは言えない。
高速中性子療法は、通常 20 MeV を超える高エネルギー中性子を使用して癌を治療します。癌の放射線療法は、電離放射線に対する細胞の生物学的反応に基づいています。放射線を少量ずつ照射して癌部位を損傷すると、正常組織は自己修復する時間がありますが、腫瘍細胞は多くの場合修復できません。[ 126 ]中性子放射線は、ガンマ線よりも 1 桁大きい速度で癌領域にエネルギーを供給できます。[ 127 ]
がん治療には、低エネルギー中性子ビームを用いたホウ素中性子捕捉療法が用いられます。ホウ素中性子捕捉療法では、患者にホウ素を含む薬剤を投与し、標的とする腫瘍に優先的に蓄積させます。次に、腫瘍に非常に低エネルギーの中性子（ただし、熱エネルギーよりは高い場合が多い）を照射します。この中性子はホウ素中のホウ素10同位体に捕捉され、ホウ素11の励起状態を生成します。ホウ素11は崩壊してリチウム7とアルファ粒子を生成します。これらの粒子は悪性細胞を死滅させるのに十分なエネルギーを持ちますが、周囲の細胞を損傷するほどの飛程はありません。このような治療法をがん治療に適用するには、1平方センチメートルあたり毎秒10億（10⁹）個程度の強度を持つ中性子源が望ましいです。このような中性子束を得るには、研究用原子炉が必要です。
自由中性子への被ばくは、中性子が体内の分子と相互作用することで分子や原子が破壊され、また他の形態の放射線（陽子など）を生じる反応を引き起こす可能性があるため、危険です。 [ 44 ]通常の放射線防護対策が適用されます。被ばくを避け、線源からできるだけ遠ざかり、被ばく時間を最小限に抑えます。しかし、中性子被ばくから身を守る方法については、特別な配慮が必要です。アルファ粒子、ベータ粒子、ガンマ線などの他の種類の放射線の場合、原子番号が大きく密度が高い物質は優れた遮蔽材になります。鉛がよく使用されます。しかし、中性子の吸収はアルファ線、ベータ線、ガンマ線のように原子番号とともに単純に増加するわけではないため、この方法は中性子には適用できません。代わりに、中性子と物質との特定の相互作用を検討する必要があります（上記の検出のセクションを参照）。例えば、水素を豊富に含む材料は、中性子を散乱させ、かつ減速させる性質があるため、中性子遮蔽材としてよく用いられます。そのため、単純なコンクリートブロックやパラフィンを充填したプラスチックブロックでさえ、はるかに密度の高い材料よりも中性子に対する遮蔽効果が高い場合が多いのです。減速された中性子は、リチウム6のように、二次捕獲放射線を起こさずに低速中性子に対する親和性が高い同位体によって吸収されることがあります。
水素を豊富に含む通常の水は、核分裂炉における中性子吸収に及ぼす影響：通常、中性子は通常の水に強く吸収されるため、核分裂性同位体による燃料の濃縮が必要となる。（核分裂ごとに生成される中性子の数は、主に核分裂生成物に依存する。平均は約 2.5 ～ 3.0 であり、核連鎖反応を維持するためには、平均して少なくとも 1 個は捕獲を免れる必要がある。）重水中の重水素は、プロチウム（通常の軽い水素）よりも中性子に対する吸収親和性が非常に低い。そのため、CANDU型原子炉では、中性子の速度を減速（中和）し、中性子捕獲よりも核分裂の確率を高めるために、重水素が使用される。
自由中性子のエネルギーは、マクスウェル・ボルツマン分布によって与えられる温度によって特徴づけられる。例えば、熱中性子 は kT =となる。 0.0253 eV (4.0 × 10 −21 J ）は室温に相当し、平均速度や中央値ではなく特性速度は 2.2 km/s です。多くの物質では、熱中性子反応はより速い中性子が関与する反応よりもはるかに大きな有効断面積を示し、そのため熱中性子は衝突する原子核により容易に（つまり、より高い確率で）吸収され、結果として化学元素のより重く、しばしば不安定な同位体が生成されます。ほとんどの核分裂炉は、中性子減速材を使用して核分裂によって放出される中性子を減速または熱化し、より容易に捕獲されてさらなる核分裂を引き起こします。
低温中性子、さらには極低温中性子は、極低温物質を用いて熱化することで生成できる。より高温の中性子は、核分裂や核融合によって発生する。最も高エネルギーの中性子は、宇宙線衝突によって発生する。
