在粒子物理的标准模型中，质子由两个u夸克和一个d夸克组成，中子由一个u夸克和两个d夸克组成；在β衰变中，中子内的一个d夸克发射一个中间玻色子Ｗ^—后变成一个ｕ夸克，原来的一个中子转变为一个质子；接着Ｗ^—粒子转变成一个电子和一个反电子中微子。根据标准模型理论，一个中子的衰变与原子核内其它中子和质子无关。这显然与如下已知的实验事实相悖：（１）原子核内中子的寿命与自由中子的寿命不同。（２）不同原子核内的中子寿命会有巨大差别；（３）很多原子核内的中子不会衰变。这个矛盾究竟源自何处？本文通过回顾中子发现的历史，引入了准自由中子的概念，揭开了中子衰变的神秘面纱。

1911年卢瑟福提出了原子的核式结构模型：原子由一个小的、很重的、带正电的核和核外电子组成。尼尔斯·玻尔于1912年到曼彻斯特拜访了卢瑟福，基于原子的核式结构模型和量子理论导出了原子的光谱线公式，成功地解释了原子的光谱。卢瑟福等对放射性现象进行了深入、系统的研究，确认放射性原子发射的三种射线α、β、γ, 分别对应于“带正电”的氦原子核、电子和一种比一般X射线能量更高的电磁辐射，它们不会是原子内电子运动的产物，一定是从原于核内部发射出来的，原子核内部一定有结构。氢的原子核结构很明确，一个具有与电于电量相等而带正电荷、质量数为1的氢原子核，称为质子。1918年卢瑟福用α粒子轰击氮原子，发现有质子射出，于是认识到原子核内部有质子。由于原子的质量近似于质子质量的整数倍，因此认为质子和电子可能就是构成原子核的基本成分。卢瑟福1920年在巴克里安讲座的演讲中提出了一个创新的科学思想，认为在原子核中除质子外还可能存在一种质量与质子相近的中性粒子，这种中性粒子可能是“压缩”的氢原于，即质子与电子紧密结合在一起的中性粒子；并指出，如果这种中性粒子真的存在，那么它的性质一定异乎寻常，而且很难对付。“它能自由地穿过物体，不能把它控制在一个密封容器中”。正是受卢瑟福这个思想的影响，寻找原子核内的中性粒子成为在剑桥的开文迪许实验室工作的科学家一直在追求的科学目标。玻特和贝克在1930年发现了穿透力很强的铍射线，约里奥·居里夫妇在1931年发现铍射线会从石蜡中打出质子。当恰德威克看到约里奥·居里夫妇的研究报告后，立即把铍射线与他的老师卢瑟福在1920年讲座中提到的思想联系起来．意识到这可能就是他们久已寻找的中性粒子，1932年2月在《自然》杂志上发表了他的实验结果．定名这中性粒子为中子。原子核的构成问题得到了合理的解释。德国的海森堡与前苏联的伊凡宁柯在得知发现中子后，立即分别独立地提出原子核是由质子和中子所构成的思想。

自由中子是指已经脱离母核的中子，与母核已经不存在相互作用。已有的实验结果表明自由中子的静止质量大于一个质子静止质量和一个电子静止质量之和，会衰变为一个质子和一个电子。基于卢瑟福的假设，自由中子是一个压缩的氢原子，是一个非束缚态，不存在稳定的状态，就会发生衰变，变为一个质子和一个电子，其半衰期与母核无关。

 基于压缩氢原子模型，原子核内的质子和中子通过电磁相互作用会形成一个稳定的束缚态，这样的原子核就是稳定的，不会衰变。如果一个原子核内存在可以看作是由一个准自由中子和一个核芯组成，是一个不稳定的束缚态，就会发生β（中子）衰变。由于准自由中子与子核的电磁相互作用很弱，在受到扰动的情况下就会衰变为一个质子和一个电子，其中电子逃离母核，而质子与核芯形成一个新的原子核。母核的半衰期与准自由中子和核芯间的电磁作用有关，电磁作用越弱，半衰期越短。例如，氚核（³H）可以看作是一个准自由中子和一个氘核（²H）组成，是一个不稳定的束缚态；准自由中子会衰变为一个电子和一个质子，其中电子逃离氚核，而质子与氘核（核芯）形成一个新的原子核氦3（³He）核，发生β衰变。碳14（¹⁴C）核可以看作是一个准自由中子和一个¹³C核组成，准自由中子会衰变为一个电子和一个质子，其中电子逃离母核¹⁴C核，而质子与核芯（¹³C核）形成一个新的氮原子核¹⁴N，发生β衰变。¹⁵C核可以看作是一个准自由中子和一个¹⁴C核组成，准自由中子会衰变为一个电子和一个质子，其中电子逃离母核¹⁵C核，而质子与核芯（¹⁴C核）形成一个新的氮原子核¹⁵N核，发生β衰变。¹⁴C的半衰期5730年远远大于氚核的半衰期12.33年，而¹⁵C的半衰期2.45年明显小于氚核的半衰期。上述母核发生β衰变后产生的新的原子核³He、¹⁴N和¹⁵N都是稳定的原子核。

刘山亮/2023.12.29