[科普中國(guó)]-中子物理學(xué)

中子物理學(xué)簡(jiǎn)介

大致可分為：

（1）宏觀中子物理：研究各種能量的中子在宏觀物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)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。

此學(xué)科的研究，例如中子輻射武器（中子彈）的研制。并開(kāi)辟了同位素在各學(xué)科和生廠中的應(yīng)用，還可探索新的利用原子能力方法的重要途徑。1

中子物理學(xué)之父恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi，1901—1954），美籍意大利裔物理學(xué)家，第一座核反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)者。比薩大學(xué)哲學(xué)博士，佛羅倫薩大學(xué)、羅馬大學(xué)和芝加哥大學(xué)教授。在物理學(xué)史上，要給費(fèi)米正確的評(píng)價(jià)，似乎還為時(shí)太早。他是20世紀(jì)擅長(zhǎng)理論與實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家，是一位多學(xué)科性的學(xué)者。他總是搖擺于理論物理學(xué)與實(shí)驗(yàn)物理學(xué)之間，很方便地適應(yīng)著變化中的需要。

費(fèi)米19019月29日年生于意大利羅馬，費(fèi)米小時(shí)候就表現(xiàn)出非凡的才能，他父親的一位同事便有意識(shí)地培養(yǎng)他，給他讀數(shù)學(xué)、物理方面的書(shū)。當(dāng)他還是一個(gè)中學(xué)生的時(shí)候，就已具備大學(xué)研究生的水平。1918年進(jìn)入比薩大學(xué)，1922年獲比薩大學(xué)博士學(xué)位。1923年前往德國(guó)，在玻恩的指導(dǎo)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(xué)理論物理學(xué)教授。1929年任意大利皇家科學(xué)院院士。1934年用中子轟擊原子核產(chǎn)生人工放射現(xiàn)象，開(kāi)始中子物理學(xué)研究，被譽(yù)為“中子物理學(xué)之父”。1936年出版的熱力學(xué)講義成為后人教學(xué)用書(shū)的著名藍(lán)本。由于他在中子轟擊方面，尤其是用熱中子轟擊方面的成績(jī)，1938年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1939年任教于美國(guó)哥倫比亞大學(xué)。

美國(guó)原子能委員會(huì)設(shè)立了費(fèi)米獎(jiǎng)金，1954年首次獎(jiǎng)金授予他本人。20世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)研究領(lǐng)域的廣度和深度都發(fā)展得很快；很少有人能在幾個(gè)領(lǐng)域都作出重要的貢獻(xiàn)?？墒琴M(fèi)米對(duì)理論物理和實(shí)驗(yàn)物理都作出了重要的貢獻(xiàn)，有些還是開(kāi)創(chuàng)性的成就，這在20世紀(jì)是少見(jiàn)的。1954年11月29日費(fèi)米病逝于芝加哥。終年53歲。

1925—1926年，費(fèi)米根據(jù)泡利不相容原理，與英國(guó)物理學(xué)家狄拉克各自導(dǎo)出物理學(xué)的深?yuàn)W分支——量子統(tǒng)計(jì)中的“費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)”。費(fèi)米發(fā)展了統(tǒng)計(jì)理論并運(yùn)用它來(lái)描述稱為“費(fèi)密子”的粒子裂變。這項(xiàng)研究導(dǎo)出了他的第一項(xiàng)不朽的工作，導(dǎo)出了“費(fèi)米分布”、“費(fèi)米球”、“費(fèi)米液體”、“費(fèi)米子”等概念。費(fèi)米的理論在科學(xué)上是非常重要的，使我們能更好地了解原子核。

1932年，英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)了一種新的遜原子微?！凶?。費(fèi)米從1934年起用中子轟擊許多已知的化學(xué)元素，開(kāi)始了史無(wú)前例的關(guān)于中子引起的核反應(yīng)的研究，提出熱中子的擴(kuò)散理論。他在用中子轟擊鈾原子的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，得到了一種“新元素”。當(dāng)時(shí)他把這種元素起名為“超鈾”元素，創(chuàng)造了β衰變的定量理論，為原子能研究奠定了重要的理論基礎(chǔ)。

費(fèi)米因利用中子輻射發(fā)現(xiàn)新的放射性元素，及慢中子所引起的有關(guān)核反應(yīng)，獲1938年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但這時(shí)他卻在意大利遇到了麻煩。首先，他的妻子是猶太人，而墨索里尼政府頒布了一系列反猶太人的法律。第二，費(fèi)米強(qiáng)烈地反對(duì)法西斯，在墨索里尼的獨(dú)裁統(tǒng)治下，這是危險(xiǎn)的。1938年12月，他前往斯德哥爾摩領(lǐng)取諾貝爾獎(jiǎng)，之后就再也沒(méi)有返回意大利。他去了紐約，求賢若渴的哥倫比亞大學(xué)聘用了他，1944年他成為美國(guó)公民。

其實(shí)，費(fèi)米得到的并不是“超鈾”元素。1939年費(fèi)米到了美國(guó)。當(dāng)時(shí)德國(guó)科學(xué)家哈恩與斯特拉斯曼用化學(xué)方法檢驗(yàn)了費(fèi)米的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：用中子轟擊鈾原子，只能得到地球上已存在的鋇。從費(fèi)米的錯(cuò)誤結(jié)論出發(fā)，竟然得到一個(gè)意想不到的驚人成就。因?yàn)殇^的重量略高于鈾的一半，這是無(wú)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設(shè)想，認(rèn)為鈾原子核受到中子的轟擊后，不是“衰變”，而是“分裂為大致相等的兩個(gè)中等質(zhì)量的原子”。這就是著名的“裂變理論”。

“裂變理論”誕生之時(shí)，費(fèi)米正在外出途中。當(dāng)他從雜志上獲悉這一驚人的消息后，就像別的優(yōu)秀的科學(xué)家一樣，立刻認(rèn)識(shí)到了鈾裂變可能會(huì)釋放出大量的中子，產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。費(fèi)米還預(yù)見(jiàn)到鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的潛在軍事用途。他馬上返回哥倫比亞大學(xué)，一頭扎進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)室。他用精密細(xì)致的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了“裂變理論”的正確性，并致力于研究裂變的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”，進(jìn)而建立了一整套“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”的基本概念和基礎(chǔ)理論。

1939年3月，費(fèi)米與美國(guó)海軍聯(lián)系，試圖使他們對(duì)發(fā)展核武器感興趣。也就是幾個(gè)月后，愛(ài)因斯坦就此項(xiàng)目給羅斯福總統(tǒng)寫(xiě)了一封信，美國(guó)政府開(kāi)始對(duì)原子能感興趣了。

一旦美國(guó)政府對(duì)此發(fā)生了興趣，科學(xué)家的首要任務(wù)就是建立一個(gè)核反應(yīng)堆樣本，看看自持續(xù)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)是否可行。由于費(fèi)米是世界上的中子提出者，以及他兼具試驗(yàn)和理論才能，所以他被選為組長(zhǎng)，組織建立世界上第一個(gè)核反應(yīng)堆。他先在哥倫比亞大學(xué)工作，后又在芝加哥大學(xué)工作。就是在芝加哥，1942年12月2日，在費(fèi)米領(lǐng)導(dǎo)下設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的第一座核反應(yīng)堆成功運(yùn)行了。這確實(shí)是原子時(shí)代的開(kāi)始，因?yàn)檫@是人類頭一次成功地實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。成功的消息傳到東部時(shí)用的是暗語(yǔ)，但也是一種預(yù)言：“這位意大利的航海家進(jìn)入了新世界。”

由于這次成功的試驗(yàn)，美國(guó)決定全速實(shí)行曼哈頓計(jì)劃。費(fèi)米作為杰出的科學(xué)顧問(wèn)，繼續(xù)在該項(xiàng)目中起重要作用。

戰(zhàn)后，費(fèi)米在芝加哥大學(xué)任教。1945年之后。轉(zhuǎn)向介子物理學(xué)和天體物理學(xué)研究。他先后獲得德國(guó)普朗克獎(jiǎng)?wù)隆⒚绹?guó)哲學(xué)會(huì)劉易斯獎(jiǎng)學(xué)金和美國(guó)費(fèi)米獎(jiǎng)。1953年被選為美國(guó)物理學(xué)會(huì)主席。還被德國(guó)海森堡大學(xué)、荷蘭烏特勒支大學(xué)、美國(guó)華盛頓大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、耶魯大學(xué)、哈佛大學(xué)、羅切斯特大學(xué)和拉克福德大學(xué)授予榮譽(yù)博士。1954年因胄癌逝于芝加哥 1955年原子序數(shù)100的人工所制元素被命名為鐨，以紀(jì)念他對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)。

費(fèi)米之所以成為重要人物，有以下幾個(gè)原因。一是他是無(wú)可爭(zhēng)議的20世紀(jì)最偉大的科學(xué)家，而且是為數(shù)不多的兼具杰出的理論家和杰出的試驗(yàn)家天才的人。他在其生涯中寫(xiě)了250多篇科學(xué)論文。二是費(fèi)米在發(fā)明原子爆破方面是一個(gè)非常重要的人物，盡管別人在推動(dòng)這項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展上也起了同樣重要的作用。

然而費(fèi)米最重要的作用是在研制核反應(yīng)堆上。他首先是對(duì)基本理論的形成作出了貢獻(xiàn)，其次是在實(shí)踐中主持了第一座反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。沉湎于科學(xué)研究中的費(fèi)米用自己的心血，換取了人類科學(xué)史上的又一個(gè)劃時(shí)代的進(jìn)步。鈾核反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)成功及其基礎(chǔ)理論的產(chǎn)生，為后來(lái)原子彈的試制成功提供了有力的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和可靠的理論依據(jù)。這一重大成果，打開(kāi)了長(zhǎng)期封閉的原子核能寶庫(kù)的巨鎖，為人類找到了取之不盡、用之不竭的新能源寶藏。由于取得如此巨大的成就，費(fèi)米成為原子能事業(yè)的先驅(qū)，成為世界上最有聲望的科學(xué)家之一。

從1945年以后，原子武器從未用于戰(zhàn)爭(zhēng)。出于和平目的，大量的核反應(yīng)堆建成用來(lái)產(chǎn)生能源。在未來(lái)，反應(yīng)堆將成為更重要的能源來(lái)源。此外，一些反應(yīng)堆被用來(lái)生產(chǎn)有用的放射性同位素，用在醫(yī)學(xué)和科學(xué)研究上。反應(yīng)堆還是钚的一個(gè)來(lái)源，這是制造原子武器的一種材料。人們對(duì)核反應(yīng)堆可能對(duì)人類產(chǎn)生危害存有害怕心理，但沒(méi)人抱怨它是個(gè)無(wú)意義的發(fā)明。不管是好還是壞，費(fèi)米的工作對(duì)未來(lái)世界產(chǎn)生了巨大的影響。

費(fèi)米是20世紀(jì)所有偉大的物理學(xué)家中最受尊敬和崇拜者之一。他之所以受尊敬和崇拜，是因?yàn)樗诶碚撐锢砗蛯?shí)驗(yàn)物理兩方面的貢獻(xiàn)，是因?yàn)樵谒I(lǐng)導(dǎo)下的工作為人類發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)大的新能源，而更重要的是因?yàn)樗膫€(gè)性：他永遠(yuǎn)可靠和可信任；他永遠(yuǎn)腳踏實(shí)地，卻不濫用影響，也不嘩眾取寵，或巧語(yǔ)貶人。不論是作為一位物理學(xué)家還是作為一個(gè)人，費(fèi)米深為所有的人所崇敬。他之所以使人肅然起敬是因?yàn)樗且粋€(gè)扎實(shí)的人。他的所有表現(xiàn)無(wú)不散發(fā)出他的這種品格的魅力。為了反對(duì)把原子能用于戰(zhàn)爭(zhēng)目的，費(fèi)米于1946年初離職回到芝加哥大學(xué)任教，轉(zhuǎn)入粒子物理這個(gè)新領(lǐng)域的研究。一批有為的青年慕名來(lái)到芝加哥大學(xué)，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，后來(lái)都成為有重要貢獻(xiàn)的物理學(xué)家。芝加哥大學(xué)的同步回旋加速器建成以后，費(fèi)米和他的小組于1951年發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)核子共振態(tài)。

楊振寧于1945年獲獎(jiǎng)學(xué)金離開(kāi)中國(guó)赴美國(guó)留學(xué)，他渴望在費(fèi)米的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)，為此來(lái)到哥倫比亞大學(xué)。當(dāng)他得知費(fèi)米已轉(zhuǎn)到芝加哥大學(xué)時(shí)，便又前往芝加哥讀研究生。后來(lái)，費(fèi)米和楊振寧在基本粒子的研究中共同提出了“費(fèi)米-楊振寧模型”。

反應(yīng)堆冷中子源中子物理學(xué)計(jì)算在一座新研究堆上正在建立冷中子源(CNS，簡(jiǎn)稱冷源)裝置，為今后在該堆上開(kāi)展中子散射實(shí)驗(yàn)提供多種特征波長(zhǎng)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(zhǎng)與原子間距、分子間距相當(dāng)，其能量與原子間熱運(yùn)動(dòng)具有同一數(shù)量級(jí)，是在分子原子水平上研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和微觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理想工具之一。在這座反應(yīng)堆冷中子源建成投產(chǎn)的早中期，曾對(duì)中子物理學(xué)參數(shù)進(jìn)行了多次計(jì)掣，但因最終建成的冷源實(shí)際方案以及影響冷中子輸出的某些反應(yīng)堆參數(shù)出現(xiàn)局部調(diào)整，故須重新計(jì)算該冷源的中子物理學(xué)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果可用于正確評(píng)估該冷源的實(shí)際性能，指導(dǎo)應(yīng)用。冷源中子物理參數(shù)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(jì)算結(jié)果可為使用冷中子的各種中子譜儀提供設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)。液氫慢化劑正、仲氫的比例以及慢化劑溫度等因素，對(duì)冷源中子輸出能譜具有較大影響，為此，有必要對(duì)其進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。2

計(jì)算條件與模型采用蒙特卡羅三維粒子輸運(yùn)計(jì)算軟件MCNP完成冷源中子物理參數(shù)計(jì)算，用基于ENDF—BV截面庫(kù)，力圖真實(shí)模擬冷源非均勻三維幾何結(jié)構(gòu)。

MCNP計(jì)算模型與反應(yīng)堆堆芯結(jié)構(gòu)及堆芯附近的冷源結(jié)構(gòu)基本一致。慢化劑室為環(huán)形結(jié)構(gòu)，環(huán)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(nèi)冷中子注量率的空間分布信息，計(jì)算中將慢化劑室中間環(huán)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(gè)扇形區(qū)域，即慢化劑室環(huán)柱體液氫部分共分為36個(gè)計(jì)數(shù)區(qū)域(圖1)。

中子注最率計(jì)算中，僅考慮冷態(tài)無(wú)燃耗狀態(tài)；冷包內(nèi)液氫平均溫度為20K，密度為0.071g/cm3。計(jì)算結(jié)果按反應(yīng)堆功率進(jìn)行了歸一化處理。

計(jì)算結(jié)果及討論（1）慢化劑室內(nèi)冷中子注量率及能譜

計(jì)算得到慢化劑室內(nèi)平均中子注量率為6.69×1013/cm-2·S-1，其中冷中子注量率(En