中性子

中性子

中性子のクォークの内容。個々のクォークの色の割り当ては任意ですが、3 つの色すべてが存在している必要があります。クォーク間の力はグルーオンによって媒介されます。
分類	バリオン
構成	アップクォーク1個、ダウンクォーク2個
統計	フェルミオン
家族	ハドロン
インタラクション	重力、弱い、強い、電磁気
シンボル	ん 、 ん0 、 いいえ0
反粒子	反中性子
理論化された	アーネスト・ラザフォード[1] (1920)
発見した	ジェームズ・チャドウィック[2] (1932)
質量	1.674 927 498 04 (95) × 10 −27  kg [3] 939.565 420 52 (54)  MeV/ c 2 [3] 1.008 664 915 88 (49) ダ[4]
平均寿命	878.4(5) s（無料）[5]
電荷	0 電子 (−2 ± 8) × 10 −22  e (実験限界) [6]
電気双極子モーメント	<1.8 × 10 −26  e ⋅cm（実験的上限）
電気分極率	1.16(15) × 10 −3 メートル3
磁気モーメント	−0.966 236 50 (23) × 10 −26  J · T −1 [4] −1.041 875 63 (25) × 10 −3  μ B [4] −1.913 042 73 (45)  μN [ 4]
磁気分極率	3.7(20) × 10 −4 立方メートル3
スピン	⁠1/2⁠  ħ
アイソスピン	− ⁠1/2⁠
パリティ	+1
要約	私( J P ) =  ⁠1/2⁠（⁠1/2⁠ + )

中性子は原子核より小さい粒子で、記号は
ん
または
ん⁰
、電荷を持たず、質量が陽子よりわずかに大きい粒子です。陽子と中性子は原子核を構成します。陽子と中性子は原子核内で同じように振舞うため、どちらも核子と呼ばれます。核子の質量は、およそ 1 原子質量単位、つまりダルトン(記号: Da) です。その特性と相互作用は原子核物理学によって説明されます。陽子と中性子は素粒子ではなく、それぞれ 3 つのクォークで構成されています。

原子の化学的性質は、主に原子の重い原子核を周回する電子の配置によって決まります。電子配置は原子核の電荷によって決まり、原子核の電荷は陽子の数、つまり原子番号によって決まります。中性子の数は中性子数です。中性子は電子配置に影響を与えません。

中性子の数だけ異なる化学元素の原子は、同位体と呼ばれます。たとえば、原子番号 6 の炭素には、中性子が 6 個ある豊富な同位体炭素 12と、中性子が 7 個ある希少な同位体炭素 13があります。フッ素など、自然界には安定同位体が 1 つしかない元素もあります。他の元素は、10 個の安定同位体を持つスズのように多くの安定同位体を持つものや、テクネチウムのように安定同位体を持たずに存在するものもあります。

原子核の特性は、原子数と中性子数の両方に依存します。正電荷を持つ原子核内の陽子は長距離電磁力によって反発されますが、はるかに強力ですが短距離の核力によって核子が密接に結合されます。中性子は、陽子が 1 つの水素原子核を除いて、原子核の安定性に必要です。中性子は、原子核分裂と核融合で大量に生成されます。中性子は、核分裂、核融合、中性子捕獲プロセス を通じて恒星内での化学元素の元素合成に主に寄与しています。

中性子は原子力発電に欠かせないものです。 1932年にジェームズ・チャドウィックが中性子を発見してから10年間、中性子はさまざまな種類の核変換を誘発するために使用されました。 1938年に核分裂が発見されると、核分裂イベント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分裂連鎖反応と呼ばれるカスケードでさらに核分裂イベントを引き起こす可能性があることがすぐに認識されました。これらのイベントと発見により、最初の自立型原子炉（シカゴ・パイル1、1942年）と最初の核兵器（トリニティ、1945年）が誕生しました。

中性子発生器、研究用原子炉、核破砕源などの専用の中性子源は、放射線照射や中性子散乱実験で使用する自由中性子を生成します。自由中性子は、平均寿命が約 15 分で、陽子、電子、反ニュートリノに自発的に崩壊します。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に危険となる可能性があります。地球上には、宇宙線シャワーや地殻内の自発核分裂性元素の自然放射能によって生じる、自由中性子の小さな自然の「中性子背景」フラックスが存在します。

原子核は、多数の陽子Z (原子番号) と多数の中性子N (中性子数) が核力によって結合して形成されます。陽子と中性子の質量はそれぞれ約 1ドルトンです。原子番号は原子の化学的性質を決定し、中性子数によって同位体または核種が決まります。^{[7] : 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。^{[7] : 4}同位体とは、原子番号は同じだが中性子数が異なる核種のことです。中性子数は同じだが原子番号が異なる核種は同位体と呼ばれます。^[8]原子質量数Aは、原子数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番号が異なる核種は同重体と呼ばれる。^[8] 原子核の質量は常に陽子と中性子の質量の合計よりもわずかに小さく、質量の差は原子核結合エネルギーに相当する質量、つまり原子核を分解するために必要なエネルギーを表す。^{[9] : 822}

水素原子の最も一般的な同位体（化学記号¹ H）の核は、孤立した陽子です。^{[7] : 20}重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）の核には、それぞれ 1 個と 2 個の中性子に結合した 1 個の陽子が含まれています。^{[7] : 20}その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 には、82 個の陽子と 126 個の中性子があります。^[10]核種の表には、既知の核種がすべて含まれています。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。^[11]

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。^{[12]陽子と中性子を同じ粒子の2つの量子状態と見なす}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使用される。^{[13] : 141}

短距離での核力の強さのため、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。^{[7] : 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。^[7]正に帯電した軽い核種、つまり「核分裂片」は反発し、電磁ポテンシャルエネルギーを放出する。^{[14]この反応が}核分裂性物質の塊内で発生すると、追加の中性子が追加の核分裂イベントを引き起こし、核連鎖反応として知られるカスケードを引き起こす。^{[7] : 12–13} 核分裂性物質の与えられた質量について、このような核反応は、同等の質量の従来の化学爆薬からのエネルギーの約 1,000 万倍のエネルギーを放出する。^{[7] : 13  [15]}結局のところ、核力の核成分の電磁反発から生じるエネルギーを蓄える能力は、原子炉や爆弾を可能にするエネルギーの大部分の基礎であり、核分裂から放出されるエネルギーの大部分は核分裂片の運動エネルギーである。^{[14] [7] : 12}

原子核内の中性子と陽子は似たような挙動を示し、同じような反応によってその性質を交換できる。これらの反応はベータ崩壊と呼ばれる放射性崩壊の一種である。^[16]中性子が陽子に、あるいはその逆の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する。^[17]中性子と陽子の崩壊反応は以下のとおりである。

ん⁰
→
p⁺
+
e⁻
+
ν
_e

どこ
p⁺
、
e⁻
、 そして
ν
_e陽子、電子、電子反ニュートリノ崩壊生成物を表し、^[18 ]

p⁺
→
ん⁰
+
e⁺
+
ν
_e

どこ
ん⁰
、
e⁺
、 そして
ν
_e中性子、陽電子、電子ニュートリノの崩壊生成物を表します。

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呼ばれ、それぞれβ−またはβ+と表記され^、崩壊^過程にその名前が付けられています。^[17] これらの反応では、元の粒子は生成粒子で構成されているわけではなく、むしろ生成粒子は反応の瞬間に生成されます。 ^{[19] : 369–370}

「自由」中性子または陽子は、いかなる原子核からも独立して存在する核子です。

自由中性子の質量は939 565 413 .3  eV/ c ²、または939.565 4133  MeV/ c ²。この質量は1.674 927 471 × 10 ⁻²⁷  kg、または1.008 664 915 88  Da . ^[4]中性子の平均二乗半径は約0.8 × 10 ⁻¹⁵  m、または0.8  fm、^{[20]であり、}スピン ½ フェルミオンです。^[21]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っているため、電場の影響を直接受けますが、中性子は電場の影響を受けません。^{[22]しかし、中性子は}磁気モーメントを持っているため、磁場の影響を受けます。^[23]中性子の特定の特性については、以下の固有特性のセクションで説明します。

原子核の外では、自由中性子はベータ崩壊を起こし、平均寿命は約14分38秒で^{[24] 、}半減期は約10分11秒に相当する。中性子の質量は陽子の質量よりも1000倍大きい。1.293 32  MeV/ c ²、^[25]したがって、中性子の質量は陽子、電子、反ニュートリノを生成するのに十分なエネルギーを提供します。崩壊プロセスでは、陽子、電子、電子反ニュートリノは中性子のエネルギー、電荷、レプトン数を保存します。 ^[26]電子は最大で運動エネルギーを獲得できます。0.782 ± 0.013 MeV . ^[25]

未だに説明されていないが、中性子の寿命を測定するための異なる実験方法、「ボトル」法と「ビーム」法は、異なる値を生み出している。^[27]「ボトル」法はボトルに閉じ込められた「冷たい」中性子を使用し、「ビーム」法は粒子ビーム内のエネルギー中性子を使用する。2つの方法による測定値は時間とともに収束していない。ボトル法による寿命は現在877.75秒^{[28] [29]}であり、ビーム法による値887.7秒^{[30]より10秒短い。}

自由中性子のごく一部（約1000分の1）は同じ生成物を生成しながら崩壊するが、放出されたガンマ線の形で余分な粒子を追加する：^[31]

ん⁰
→
p⁺
+
e⁻
+
ν
_e+
γ

中性子の「放射崩壊モード」と呼ばれるガンマ線は、放出されたベータ粒子と陽子の電磁相互作用から生じる「内部制動放射線」から生じるものと考えられる。 ^[31]

自由中性子のより小さな割合（百万分の4程度）は、いわゆる「二体（中性子）崩壊」で崩壊する。この崩壊では、通常通り陽子、電子、反ニュートリノが生成されるが、電子は13.6  eV の陽子からの脱出に必要なエネルギー (水素のイオン化エネルギー) を消費し、単に陽子に結合したまま、中性水素原子(「2 つの物体」の 1 つ) を形成します。このタイプの自由中性子崩壊では、中性子崩壊エネルギーのほぼすべてが反ニュートリノ (もう 1 つの「物体」) によって持ち去られます。(水素原子は、光速の約 (崩壊エネルギー)/(水素の静止エネルギー) 倍の速度で反跳します。つまり、250  km/s です。

中性子は、1つ以上の陽子を含む原子核の必須構成要素です。陽子は正電荷を持っているため、相互作用する陽子は、引力による核相互作用よりも強い相互電磁反発力を持ちます。そのため、陽子のみの原子核は不安定です（二陽子と中性子陽子比を参照）。^{[32]中性子は、}核力を介して原子核内の陽子や他の中性子と結合し、陽子間の反発力を効果的に緩和して原子核を安定化します。^{[19] : 461}重い原子核は大きな正電荷を持っているため、安定するためには「余分な」中性子が必要です。^{[19] : 461}

自由中性子は不安定で自由陽子は安定していますが、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。原子核内で結合すると、核子はベータ崩壊プロセスによって崩壊する可能性があります。原子核内の中性子と陽子は、原子核殻モデルに従って量子力学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個別の階層的エネルギーレベルに編成されます。原子核内での核子の崩壊は、基本的なエネルギー保存と量子力学的制約によって許可される場合に発生する可能性があります。崩壊生成物、つまり放出された粒子は、核子がある量子状態からよりエネルギーの低い量子状態に移行するときに余分なエネルギーを持ち去り、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、結果として生じる陽子は、初期の中性子状態よりも低いエネルギーで利用可能な状態を必要とする。安定した原子核では、可能性のある低エネルギー状態はすべて満たされている。つまり、各状態は、スピンアップの陽子とスピンダウンの陽子のペアによって占有されている。利用可能な陽子状態がすべて満たされると、パウリの排他原理により、中性子から陽子への崩壊は許可されない。^{[33] :} §3.3この状況は原子の電子に似ており、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より低いエネルギー状態に崩壊することが防止される。^{[33] : §3.3}物質の安定性は、これらの制約の結果である。^{[34] [35] [36]}

核種内の中性子の崩壊は、 6個の陽子と8個の中性子を持つ炭素同位体炭素14の崩壊によって説明される。この同位体は中性子が過剰であるため、ベータ崩壊によって窒素14 （7個の陽子、7個の中性子）に崩壊し、その半減期は約5,730年。^[37]窒素14は安定している。^[38]

「ベータ崩壊」反応は、レプトンが核子に捕獲されることでも起こる。原子核内で陽子が中性子に変わるのは、電子捕獲によるものである。^[39]

p⁺
+
e⁻
→
ん⁰
+
ν
_e

より稀な反応である逆ベータ崩壊では、ニュートリノが核子に捕獲される。^[40] さらに稀な反応として、中性子による陽電子の捕獲が恒星の高温環境で起こることがある。^[41]

競合する3種類のベータ崩壊は、半減期が約12.7時間である単一の同位体銅64 （陽子29個、中性子35個）によって例示される。 ^[42]この同位体は、不対陽子1個と不対中性子1個を持っているため、陽子または中性子のいずれかが崩壊する可能性がある。^[43]この特定の核種は、陽子崩壊を起こす可能性がほぼ同等である（陽電子放出による崩壊、18％または電子捕獲による崩壊、43％。どちらも⁶⁴
ニ
）または中性子崩壊（電子放出による、39％；形成）⁶⁴
亜鉛
）。^{[42] [43]}

素粒子物理学の標準モデルの理論的枠組みでは、中性子は電荷を持つ2つのダウンクォークから構成されます。1/3⁠ eと 1 つのアップクォーク(電荷+ ) ⁠2/3⁠ e。したがって、中性子はハドロンとして分類される複合粒子です。中性子は3つの価クォークで構成されているため、重粒子としても分類されます。 ^[44]中性子の有限の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。^[45]核力はより基本的な強い力の二次的効果から生じる。

重粒子数の保存則に従う中性子の唯一の可能な崩壊モードは、中性子のクォークの1つが弱い相互作用を介して（カビボ・小林・益川行列を介して）フレーバーを変えることである。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ことは、 Wボソンの放出によって達成できる。このプロセス（ベータ崩壊の標準モデルの説明）により、中性子は陽子（ダウンクォーク1個とアップクォーク2個を含む）、電子、および電子反ニュートリノに崩壊する。

陽子の中性子への崩壊も、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 1 つがダウンクォークに崩壊するのは、W ボソンの放出によって起こります。陽子は中性子、陽電子、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エネルギーが低い量子状態にある原子核内でのみ発生します。

中性子とその特性の発見の物語は、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年の原子爆弾につながった。1911年のラザフォードモデルでは、原子は小さな正に帯電した巨大な原子核と、それを取り囲むはるかに大きな負に帯電した電子の雲で構成されていた。1920年にアーネスト・ラザフォードは、原子核は正の陽子と中性に帯電した粒子で構成されており、陽子と電子が何らかの形で結合していると示唆した。^[46]ベータ放射線は原子核から放出された電子で構成されていることが確認されていたため、電子は原子核内に存在すると想定されていた。 ^[46]ラザフォードが中性陽子電子複合体を示唆した頃、同様の示唆をする他の出版物がいくつか登場し、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」と名付けた。^{[47] [48]}この名前はラテン語のneutralis（中性）の語源とギリシャ語の接尾辞-on （電子や陽子など原子より小さい粒子の名前に使われる接尾辞）に由来しています。^{[49] [50]しかし、原子に関連して}中性子という言葉への言及は1899年の文献にすでに見られます。^[48]

1920年代を通じて、物理学者は原子核が陽子と「核電子」で構成されていると仮定していたが、^{[51] [52]}、これは明らかな問題を引き起こした。原子核の陽子-電子モデルを量子力学のハイゼンベルクの不確定性関係と調和させることは困難だった。 ^{[53] [54] 1928年に}オスカー・クラインが発見したクラインのパラドックス[ 55 ^]は、電子が原子核内に閉じ込められているという概念に対する量子力学的反論をさらに提示した。^[53]原子と分子の観察された特性は、陽子-電子仮説から予想される核スピンと一致しなかった。陽子と電子はどちらも、⁠1/2⁠ ħ、そして同じ種の同位体は整数スピンまたは分数スピンのいずれかを持っていることがわかった。仮説によれば、同位体は同数の陽子で構成されるが、中性結合陽子+電子「粒子」の数は異なる。この物理的図は矛盾していた。なぜなら、結合状態の電子と陽子のスピンを整列させて分数スピンを得る方法はないからである。

1931年、ヴァルター・ボーテとハーバート・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、異常に透過性の高い放射線が発生することを発見した。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それをガンマ線であると仮定した。^{[56] [57]}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。^[58]ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所のラザフォードもジェームズ・チャドウィックも、ガンマ線の解釈に納得しなかった。^[59]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非荷電粒子で構成されていることを示^{[60] [61] [62]}これらの特性はラザフォードの仮説中性子と一致した。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^{[63] [64] [65]}らによってすぐに開発された。^{[66] [67]}陽子中性子モデルは、核スピンの謎を説明した。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プロセスによって説明された。ベータ崩壊では、中性子が陽子に崩壊し、電子と（当時は未発見だった）ニュートリノを生成する。 ^[68] 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値を報告した。^{[69] [70]}

1934年までに、フェルミは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、低速中性子によって引き起こされる核反応の発見」によりノーベル物理学賞を受賞した。 ^[71] 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引き起こされる核分裂、つまりウランの原子核のより軽い元素への分裂を発見した。 ^{[72] [73] [74] [75]} 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。 ^{[76] [77] [78]}

核分裂の発見は、第二次世界大戦の終わりまでに原子力と原子爆弾の開発につながった。核分裂イベント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分裂イベントを引き起こし、連鎖反応として知られるカスケードが発生する可能性があることがすぐに認識された。^{[19] : 460–461  [7]}これらのイベントと発見により、フェルミは1942年にシカゴ大学に世界初の自立型原子炉であるシカゴ・パイル1を建設した。 ^[79]マンハッタン計画のわずか3年後、1945年7月にトリニティ核実験が行われ、世界初の原子爆弾のテストに成功した。^[79]

中性子は電荷を持たないため、質量分析法では直接質量を測定できません。しかし、陽子と重陽子の質量は質量分析計で測定できるため、中性子の質量は陽子の質量から重陽子の質量を差し引くことで推定できます。この差は、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）の合計です。後者は、単一の重水素のエネルギー（ ）を測定することで直接測定できます。${\displaystyle B_{d}}$陽子が中性子を捕獲して重陽子が形成されるときに放出される2.224 MeV のガンマ光子 (これは発熱反応であり、エネルギーがゼロの中性子で発生します)。重陽子の小さな反跳運動エネルギー ( ) (全エネルギーの約 0.06%) も考慮する必要があります。 ${\displaystyle E_{rd}}$

${\displaystyle m_{n}=m_{d}-m_{p}+B_{d}-E_{rd}}$

ガンマ線のエネルギーは、1948年にベルとエリオットによって初めて行われたX線回折技術によって高精度に測定できます。この技術による中性子質量の最新の最良の値（1986年）は、グリーンらによって提供されています。^[80]これにより、中性子質量は次のようになります。

m_中性子=1.008 644 904 (14) 日

中性子質量のMeVでの値は、DaからMeV/ c ²への変換精度が低いため、あまり正確にはわかっていません。 ^{[33] : 18–19}

m_中性子=939.565 63 (28)  MeV/ c ² .

中性子の質量を決定する別の方法は、中性子のベータ崩壊から始まり、その結果生じる陽子と電子の運動量が測定されます。

中性子はスピンである ⁠1/2⁠粒子、つまり、固有角運動量が⁠に等しいフェルミオンです。1/2⁠  ħ、ここでħ は換算プランク定数です。中性子の発見後何年もの間、その正確なスピンは不明でした。スピンであると想定されていましたが ⁠1/2ディラック 粒子、中性子がスピンであった可能性 ⁠3/2⁠粒子は滞留した。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を決定した。 ^[81] 1949年、ヒューズとバーギーは強磁性鏡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と一致することを発見した 。1/2⁠ . ^[82] 1954年、シャーウッド、スティーブンソン、バーンスタインは、磁場を使っ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使用した。彼らは、スピン状態と一致する2つのスピン状態を記録した 。1/2⁠粒子。 ^{[81] [83]}

中性子はフェルミオンであるため、パウリの排他原理に従う。つまり、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妨げる縮退圧力の源である。^[84]

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のルイス・アルバレスとフェリックス・ブロックによって初めて直接測定された。 ^[85]アルバレスとブロックは、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反対であるため、負の値を持つ。 ^[86]

中性子の磁気モーメントは、そのクォークの構造と内部電荷分布の指標である。^[87]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）で構成される。^[87]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合計としてモデル化できる。^[88]計算では、クォークが点状のディラック粒子のように動作し、それぞれが独自の磁気モーメントを持っていると仮定している。単純に言えば、中性子の磁気モーメントは、3つのクォーク磁気モーメントのベクトル合計と、中性子内の3つの荷電クォークの動きによって生じる軌道磁気モーメントから生じるものと見なすことができる。

標準モデル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の比）と計算したが、これは実験値と3%以内で一致した。^{[89] [90] [91]}この比の測定値は−1.459 898 05 (34) . ^[4]

上記の処理は、中性子と陽子を比較し、クォークの複雑な動作をモデル間で差し引くことを可能にし、異なるクォーク電荷 (またはクォークの種類) の影響が何であるかを単に調査するだけです。このような計算は、中性子の内部が陽子の内部と非常によく似ていることを示すのに十分です。ただし、中性子のダウンクォークが陽子のアップクォークに置き換わるというクォーク構成の違いは除きます。

中性子の磁気モーメントは、3つのクォークからなる重粒子に対して、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大まかに計算できる。簡単な計算で、中性子、陽子、その他の重粒子の磁気モーメントをかなり正確に推定できる。 ^[88]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で与えられる。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ある。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と仮定している。

この計算結果は有望だが、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と仮定された。^[88]クォークの質量は実際には核子の約1%にすぎない。^[92]この食い違いは、核子の標準モデルの複雑さから生じており、核子の質量のほとんどは、強い力の重要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する。 [ ^{92 ] [93]}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、相対論的な処理が必要である。^{[94]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み、クォークの質量にもっと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た。計算は測定値とかなり一致する結果を与えたが、かなりの計算リソースを必要とした。^{[95] [96]}

中性子の全電荷は0  e。このゼロ値は実験的にテストされており、中性子の電荷の現在の実験的限界は−2(8) × 10 ⁻²²  e、^[6]または−3(13) × 10 ⁻⁴¹  C。この値は、実験の不確かさ（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+  1e .

2007年に発表されたモデルに依存しない分析を特徴とする論文では、中性子は負に帯電した外部、正に帯電した中心部、および負のコアを持つと結論付けられました。^[97]単純化された古典的な見方では、中性子の負の「皮膚」は、中性子が原子核内で相互作用する陽子に引き付けられるのを助けますが、中性子と陽子の間の主な引力は、電荷を伴わない 核力を介しています。

中性子の電荷分布の簡略化された古典的な見方は、中性子の磁気双極子がスピン角運動量ベクトルと反対方向を向いているという事実も「説明」します (陽子と比較して)。これにより、中性子は実質的に、負に帯電した粒子に似た磁気モーメントを持ちます。これは、中性中性子の電荷分布で構成される中性中性子と古典的に調和できます。電荷分布では、中性子の負のサブパーツは分布の平均半径が大きく、したがって、平均してコアに近い正の部分よりも粒子の磁気双極子モーメントに大きく寄与します。

素粒子物理学の標準モデルは、中性子内の正電荷と負電荷のわずかな分離が永久的な電気双極子モーメントにつながると予測している。^[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ます。素粒子物理学におけるいくつかの未解決のパズルから、標準モデルがすべての粒子とその相互作用の最終的かつ完全な説明ではないことは明らかです。標準モデルを超える新しい理論は、通常、中性子の電気双極子モーメントについてはるかに大きな予測につながります。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、その中には次のものがあります。

• ラウエ・ランジュバン研究所に設置されている極低温中性子EDM実験^[99]
• ポール・シェラー研究所のUCN源で建設中のn2EDM実験^[100]
• スパレーション中性子源で計画されているnEDM実験^{[101] [102]}
• ラウエ・ランジュバン研究所で建設中のnEDM実験^[103]

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、1956年にブルース・コークによって発見されました。CPT対称性は粒子と反粒子の相対的な性質に強い制約を課すため、反中性子の研究はCPT対称性の厳密なテストとなります。中性子と反中性子の質量の差は(9 ± 6) × 10 ⁻⁵。この差はゼロからわずか2標準偏差ほどしか離れていないため、CPT違反の説得力のある証拠にはなりません。^[104]

二中性子は、寿命が約 10 ^-22秒の非束縛同位体であると考えられています。この状態の最初の証拠は、1965 年に Haddock らによって報告されました。^{[105] : 275} 2012 年に、ミシガン州立大学のArtemis Spyrouと同僚は、 ¹⁶ Beの崩壊で初めて直接二中性子放出を観測したと報告しました。二中性子の特性は、2 つの中性子間の放出角度が小さいことで証明されています。著者らは、この質量領域での標準的な相互作用を使用して、2 つの中性子の分離エネルギーを 1.35(10) MeV と測定し、殻モデルの計算とよく一致しました。^[106]

ベリリウム-14核の崩壊における共鳴として4個の中性子の非結合クラスター、またはテトラ中性子の証拠^{[107] 、 8He} - ^8Be相互作用^{[108] 、および4He}核の衝突から、寿命は約^10-22秒と推定されます。^[109] これらの発見は、核力に対する私たちの理解を深めるはずです。^{[110] [111]}

極めて高い圧力と温度では、核子と電子は中性子物質と呼ばれるバルク中性子物質に崩壊すると考えられています。これは中性子星で起こると推定されています。^[112]

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、中性子がより密集する可能性がある。^[113]

イオン化の軌跡を探すことで荷電 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作成できますが、実験はそれほど簡単ではありません。中性子を検出する他の方法、つまり原子核と相互作用させる方法の方が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に依存する核プロセスに従って分類できます。^[114]

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た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、中性子を吸収する確率である中性子捕獲断面積が大きくなっています。中性子捕獲により、複合核は、例えばアルファ粒子などの検出しやすい放射線を放出し、それが検出されます。核種³
彼
、⁶
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、¹⁰
B
、²³³
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、²³⁵
あなた
、²³⁷
いいえ
、 そして²³⁹
プ
この目的には役立ちます。

中性子は原子核から弾性散乱し、衝突した原子核を反跳させる。運動学的には、中性子は重い原子核よりも水素やヘリウムなどの軽い原子核に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イオン化し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集め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主な課題は、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とこのような信号を識別することである。パルス形状弁別などの方法を使用して中性子信号とガンマ線信号を区別することができるが、特定の無機シンチレータベースの検出器が開発されており^{[115] [116]}、追加の技術を必要とせずに混合放射線場内の中性子を選択的に検出することができる。

高速中性子検出器に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、到着時間、場合によっては入射方向を測定することができます。

自由中性子は不安定ですが、不安定な素粒子の中では半減期が数桁も長いです。それでも半減期は約 10 分しかないため、継続的に中性子を生成する発生源からのみ取得できます。

自然中性子背景。自由中性子の小さな自然背景流は、地球上のあらゆる場所に存在します。^[117]大気中および海洋深部では、「中性子背景」は、宇宙線と大気の相互作用によって生成されるミューオンによって発生します。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浸透することができます。そこで、原子核に衝突すると、他の反応の中でも、中性子が原子核から解放される破砕反応を引き起こします。地球の地殻内の 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核分裂によって生成される中性子です。中性子背景は生物学的に危険になるほど強力ではありませんが、暗黒物質の粒子によって引き起こされる可能性のある (仮定されている) 相互作用などの非常にまれなイベント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す。^[117]最近の研究では、雷雨でも数十MeVのエネルギーを持つ中性子が生成される可能性があることが示されています。^[118]最近の研究では、これらの中性子の流束は、検出高度に応じて、1msあたりおよび1m2あたり10-9〜10-13の範囲にあることが示さ^れて^います^。これらの中性子のほとんどのエネルギーは、初期エネルギーが20MeVであっても、1ms以内にkeVの範囲まで減少します。^[119]

火星の表面ではさらに強い中性子背景放射線が発生している。火星の大気は宇宙線ミューオン生成と中性子破砕から中性子を生成するのに十分な厚さであるが、生成された中性子から十分に保護できるほど厚くはない。これらの中性子は、直接下向きの中性子放射線から火星表面の中性子放射線の危険を生み出すだけでなく、火星表面からの中性子の反射によっても重大な危険を生み出す可能性がある。反射された中性子放射線は火星の宇宙船や居住地の床から上向きに浸透する。^[120]

研究用の中性子源。これらには、特定の種類の放射性崩壊（自発核分裂および中性子放出）や、特定の核反応が含まれます。便利な核反応には、特定の核種（多くの場合、ベリリウムまたは重水素）の自然なアルファ線およびガンマ線衝撃などの卓上反応や、原子炉で発生す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（宇宙放射線シャワーや加速器衝突で発生するものなど）でも、標的の原子核の崩壊から中性子が生成されます。このように自由中性子を生成するように最適化された小型（卓上）粒子加速器は、中性子発生装置と呼ばれます。

実際には、最も一般的に使用されている小型の研究室用中性子源は、中性子生成の動力源として放射性崩壊を利用している。中性子を生成する有名な放射性同位元素の 1 つであるカリホルニウム252 は、自発核分裂により崩壊し (半減期 2.65 年) 、1 回の核分裂で 3.7 個の中性子を生成するため、この過程から単独で中性子源として使用される。放射性同位元素で駆動する原子核反応源 (2 つの物質を含む) は、アルファ崩壊源とベリリウム標的を使用するか、またはベータ崩壊の後にガンマ崩壊を起こす源からの高エネルギーガンマ放射線源を使用する。ガンマ崩壊では、高エネルギーガンマ線が通常の安定した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する。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とベリリウムのシステムであり、原子炉で中性子で活性化して天然アンチモン（42.8％が安定したアンチモン123）から構築され、中性子源が必要な場所に輸送されます。^[121]

原子核分裂炉は自然に自由中性子を生成し、その役割はエネルギーを生成する連鎖反応を維持することです。強力な中性子放射線は、中性子捕獲の一種である中性子活性化プロセスを通じて、さまざまな放射性同位元素を生成するためにも使用できます。

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を保有しているのはこれらの中性子であり、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証明されています。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ありますが、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、その崩壊期間は比較的短い（50～100年）のに対し、核分裂廃棄物の典型的な半減期は10,000年です^[122]。核分裂廃棄物の半減期が長いのは、主にアルファ線を放出する超ウランアクチニドの半減期が長いためです^[123] 。一部の核融合・核分裂ハイブリッドは、これらの中性子を利用して、亜臨界炉を維持したり、有害な長寿命核廃棄物をより短寿命または安定した核種に核変換したりすることが提案されています。

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ます。強力な中性子源にアクセスするには、研究者は研究用原子炉または核破砕源を稼働している専門の中性子施設に行く必要があります。

中性子は全電荷を持っていないため、その方向を変えたり加速したりすることは難しい。荷電粒子は電場や磁場によって加速、減速、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影響を及ぼさない。しかし、中性子の磁気モーメントのため、不均一磁場を使用することでいくらかの効果が得られるかもしれない。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似た方法で磁性体を透過することで偏極させることができる。波長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。^[124]

中性子は多くの核反応で重要な役割を果たします。たとえば、中性子捕獲はしばしば中性子活性化をもたらし、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、中性子の吸収によって引き起こされます。

冷中性子、熱中性子、高温 中性子は、中性子回折、小角中性子散乱、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、干渉など、光の幾何光学や波動光学に似た特性を示します。 ^[125]中性子は、異なる散乱断面積による原子コントラスト、磁性に対する感度、非弾性中性子分光法のエネルギー範囲、物質への深い浸透の点で、 X線を補完します。

中空ガラス毛細管内の全反射や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、中性子顕微鏡法や中性子/ガンマ線トモグラフィーの継続的な研究を推進してきました。^{[126] [127] [128] [129]}

中性子の主な用途は、物質内の元素から遅延ガンマ線と即発ガンマ線を励起することです。これが中性子放射化分析(NAA) と即発ガンマ中性子放射化分析(PGNAA)の基礎となります。NAA は原子炉内の少量の物質サンプルを分析するために最もよく使用され、PGNAA は掘削孔周辺の地下岩石やベルトコンベア上の工業用バルク物質を 分析するために最もよく使用されます。

中性子放出器のもう 1 つの用途は、軽い原子核、特に水分子に含まれる水素の検出です。高速中性子が軽い原子核と衝突すると、エネルギーの大部分が失われます。低速中性子が水素原子核で反射してプローブに戻ってくる速度を測定することで、中性子プローブは土壌の水分含有量を判定できます。

中性子放射線は透過性と電離性の両方の性質を持つため、医療に利用できます。しかし、中性子放射線には、患部を放射能にさらしてしまうという残念な副作用があります。そのため、中性子断層撮影は医療用途としては現実的ではありません。

高速中性子療法では、通常20MeV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。癌部位に放射線を少量ずつ照射して損傷を与えると、正常組織は自己修復する時間がありますが、腫瘍細胞は修復できないことがよくあります。 ^{[130]中性子放射線は、}ガンマ放射線よりも桁違いに大きな速度で癌部位にエネルギーを照射できます。^[131]

低エネルギー中性子ビームは、がん治療のためのホウ素中性子捕捉療法で使用されます。ホウ素中性子捕捉療法では、標的となる腫瘍に優先的に蓄積するホウ素を含む薬剤が患者に投与されます。次に、腫瘍に非常に低エネルギーの中性子 (ただし、熱エネルギーよりも高い場合が多い) が照射され、ホウ素中のホウ素 10同位体によって捕捉され、励起状態のホウ素 11 が生成されます。その後、ホウ素 11 が崩壊してリチウム 7とアルファ粒子が生成されます。これらの粒子は、悪性細胞を殺すのに十分なエネルギーを持ちますが、近くの細胞に損傷を与えるには範囲が不十分です。このような療法をがん治療に適用するには、 1 秒あたり10 億 (10 ^{9 ) の中性子/cm 2}程度の強度の中性子源が適しています。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。

自由中性子への曝露は危険を伴う可能性がある。中性子と体内の分子との相互作用により分子や原子が破壊され、他の形態の放射線（陽子など）を生じる反応も引き起こす可能性があるからである。 ^[7]放射線防護の通常の予防措置が適用される。曝露を避け、放射線源からできる限り離れ、曝露時間を最小限に抑える。しかし、中性子曝露からの保護方法については特に考慮する必要がある。アルファ粒子、ベータ粒子、ガンマ線など他の種類の放射線については、原子番号が大きく密度の高い物質が優れた遮蔽物となり、鉛がよく使用される。しかし、この方法は中性子には機能しない。なぜなら、アルファ線、ベータ線、ガンマ線の場合のように、中性子の吸収は原子番号とともに単純に増加しないからである。代わりに、中性子が物質とどのように相互作用するかを見る必要がある（上記の検出のセクションを参照）。たとえば、通常の水素は中性子を散乱させ、減速させるので、水素を多く含む材料は中性子の遮蔽によく使用されます。これは、単純なコンクリートブロックやパラフィンを含んだ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からの保護が優れていることを意味します。減速後、中性子は、二次捕獲放射線を起こさずに、低速中性子との親和性が高いリチウム 6 などの同位体によって吸収される可能性があります。

水素を豊富に含む普通の水は、原子核分裂炉での中性子吸収に影響を与えます。通常、中性子は普通の水によって非常に強く吸収されるため、核分裂性同位体による燃料濃縮が必要です。(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よって決まります。平均は約 2.5 ～ 3.0 で、核連鎖反応を持続させるためには、平均して少なくとも 1 つは捕獲を免れる必要があります。)重水中の重水素は、陽子 (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です。そのため、CANDU型原子炉では、中性子の速度を遅く (緩和)して、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ます。

熱中性子は自由中性子であり、そのエネルギーはマクスウェル・ボルツマン分布に従う。kT = 0.0253  eV（ 中性子は室温で約4.0 × 10 ⁻²¹ Jです。これにより、特性速度 (平均速度や中央値ではありません) は 2.2 km/s になります。「サーマル」という名前は、そのエネルギーが浸透する室温のガスまたは物質のエネルギーであることに由来しています (分子のエネルギーと速度については運動論を参照してください)。原子核との衝突を数回 (多くの場合 10～20 回) 繰り返した後、中性子は吸収されない限り、このエネルギー レベルに到達します。

多くの物質では、熱中性子反応はより高速の中性子を伴う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ってより容易に（つまり、より高い確率で）吸収され、その結果、 より重い（そして多くの場合は不安定な）化学元素の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た中性子を減速（熱化）し、中性子が捕獲されやすくなり、さらに核分裂が進むようにします。高速増殖炉と呼ばれる他の炉では、核分裂エネルギー中性子を直接使用します。

冷中性子は、液体重水素などの非常に低温の物質中で平衡化された熱中性子である。このような冷中性子源は、研究炉や核破砕源の減速材内に置かれる。冷中性子は、中性子散乱実験に特に有用である。 ^[132]

冷中性子および極冷中性子（VCN）の使用は、熱中性子の使用に比べて、比較的低い放射量と光学部品の不足のため、やや制限されている。しかし、VCNの使用を促進するために、科学界により多くの選択肢を提供する革新的な解決策が提案されている。^{[133] [134]}

超冷中性子は、固体重水素^[135]や超流動ヘリウム^[136]など、数ケルビンの温度で中性子吸収断面積の小さい物質による冷中性子の非弾性散乱によって生成される。代替生成法としては、ドップラーシフトを利用した冷中性子の機械的減速がある。^{[137] [138]}

高速中性子は、運動エネルギーレベルが1  MeV (1.6 × 10 ⁻¹³  J）、したがって速度は約中性子の最高速度は14 000  km/s (光速の約 5%) です。これらは、低エネルギーの熱中性子や、宇宙シャワーまたは加速器で生成される高エネルギー中性子と区別するために、核分裂エネルギー中性子または高速中性子と呼ばれています。高速中性子は、原子核分裂などの核プロセスによって生成されます。前述のように、核分裂で生成される中性子は、運動エネルギーのマクスウェル・ボルツマン分布が0 から約 14 MeV、平均エネルギーが 2 MeV ( ²³⁵ U 核分裂中性子の場合)、モードがわずか 0.75 MeV であるため、その半分以上は高速とはみなされません (したがって、²³⁸ U や²³² Thなどの核分裂親和性物質で核分裂を開始する可能性はほとんどありません)。

高速中性子は、減速と呼ばれるプロセスを経て熱中性子に変換されます。これは中性子減速材によって行われます。原子炉では、通常、重水、軽水、またはグラファイトが中性子を減速するために使用されます。

D-T（重水素-三重水素）核融合は、最もエネルギーの高い中性子を生成する 核融合反応で、運動エネルギーは14.1 MeV 、速度は光速の17%です。D-T核融合は最も点火しやすい核融合反応でもあり、重水素と三重水素の核の運動エネルギーが生成される14.1 MeVの1000分の1しかない場合でも、ほぼピーク率に達します。

14.1 MeV 中性子は核分裂中性子の約 10 倍のエネルギーを持ち、非核分裂性の 重い原子核でさえも核分裂させるのに非常に効果的です。これらの高エネルギー核分裂はまた、平均して低エネルギー中性子による核分裂よりも多くの中性子を生成します。そのため、提案されているトカマク型原子炉などの D-T 核融合中性子源は、超ウラン廃棄物の核変換に有用です。14.1 MeV 中性子は、原子核から中性子を叩き出すことによって中性子を生成することもできます。

一方、これらの非常に高エネルギーの中性子は、核分裂や破砕を引き起こさずに単純に捕捉される可能性は低い。これらの理由から、核兵器の設計では、より多くの核分裂を引き起こすために、D-T核融合14.1MeV中性子を広範に使用している。核融合中性子は、劣化ウラン（ウラン238）などの通常は非核分裂性物質で核分裂を引き起こすことができ、これらの物質は熱核兵器のジャケットに使用されている。核融合中性子は、原子炉級プルトニウムなど、一次核分裂爆弾に不適切または製造が困難な物質でも核分裂を引き起こす可能性がある。したがって、この物理的事実により、通常の非兵器級物質が、特定の核拡散に関する議論や条約 で懸念されるようになっている。

他の核融合反応では、はるかにエネルギーの低い中性子が生成されます。D-D 核融合では、半分の時間で2.45 MeV の中性子とヘリウム 3 が生成され、残りの時間はトリチウムと陽子が生成されますが、中性子は生成されません。D- ³ He 核融合では中性子は生成されません。

減速しているがまだ熱エネルギーに達していない核分裂エネルギー中性子は、熱外中性子と呼ばれます。

捕獲反応と核分裂反応の両方の断面積は、多くの場合、熱外エネルギー範囲の特定のエネルギーで複数の共鳴ピークを持ちます。これらの共鳴ピークは、ほとんどの中性子がこの範囲まで減速する前に吸収される高速中性子炉や、熱外中性子が主に減速材核と相互作用し、 核分裂性または親アクチニド核種と相互作用しない十分に減速された熱中性子炉ではそれほど重要ではありません。しかし、熱外中性子と重金属核との相互作用が多い部分的に減速された原子炉では、反応性の一時的な変化が発生する可能性が高く、原子炉の制御が困難になる可能性があります。

プルトニウム239などのほとんどの核燃料では、捕獲反応と核分裂反応の比率も悪く（核分裂を伴わない捕獲反応が多い）、これらの燃料を使用する熱外スペクトル炉はあまり望ましくない。捕獲では、捕獲された1つの中性子が無駄になるだけでなく、通常、熱中性子または熱外中性子では核分裂しないが、高速中性子では核分裂可能な核種が生成されるからである。例外はトリウムサイクルのウラン233で、これはすべての中性子エネルギーで捕獲核分裂比率が良好である。

高エネルギー中性子は核分裂エネルギー中性子よりもはるかに大きなエネルギーを持ち、粒子加速器によって二次粒子として、または大気中の宇宙線から生成される。これらの高エネルギー中性子は電離効率が非常に高く、 X線や陽子よりも細胞死を引き起こす可能性がはるかに高い。 ^{[139] [140]}

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• ジェームズ・バーン『中性子、原子核、物質：低速中性子の物理学の探究』ミネオラ、ニューヨーク：ドーバー出版、2011年。ISBN 0486482383。 
• アブラハム・ペイス『Inward Bound』オックスフォード：オックスフォード大学出版局、1986年。ISBN 0198519974。 
• 朝永振一郎『スピンの物語』シカゴ大学出版局、1997年
• Herwig Schopper、「弱い相互作用と原子核ベータ崩壊」、出版社、North-Holland Pub. Co.、1966年。
• 核問題に関するアルソスデジタルライブラリからの中性子の注釈付き書誌