中子源是什么？中子源是什么元素

中子源是什么，是中國科學院國家授時中央的核心試驗裝置，也是我國目前唯一一個獲得國家重大科技基礎設施建設想劃支持的國家重大科技基礎設施。它它不僅可以提供精確的工夫服務，還可以為全球提供高精度的定位服務。這個項目的建成，將使我國成為世界上少數幾個擁有自主知識產權的全球導航衛星系統之一。

一：中子源是什么意思

中子源對堆功率及反應自由中子是不穩定的，它可以衰變為質子放出電子和反電中微子，平均壽命只有15分鐘，無法長期儲存，需要由恰當的產生辦法源源供給

二：散裂中子源是什么

中子源是能釋放出中子的裝置。中子源有許多種，從手持放射性源到中子研究設施的研究堆和裂變源。根據中子的能量、中子通量、裝備的大小、花費和政府的管制，這些裝置在物理、工程、醫藥、核武器、石油勘探、生物、化學、核動力和其他工業中有著廣泛的用途。散裂中子源是目前世界上研究物質微觀結構最重要的科學設施之一。它能產生比核反應堆強10～100倍的有效中子束流，將其射入被研究的樣品，就可以測定物質的內部結構，研究物理、化學性質和變化規律。據我的理解，實際上它是中子束流產源。

三：中子源是什么元素

生命的起源是很多基礎的分子在高能量反應下的產物，分子由各種元素組成。元素的生成可由核反應達成，如氫可以變成氘再變成氦3，不同的元素可以從不同的起始物以及不同類型的核反應生成。不過，最早的元素又是從何而來呢？假如恒星只能將元素融合到鐵，那么鐵以外的元素怎么來的？

元素的起源

物質的變化自古以來就吸引著人們的目光，在元素概念尚未啟蒙的年代，人們看到物質型態的改變獲得啟發，并嘗試著將常見的物質轉變成貴金屬或丹藥等等，那時稱為煉金術。后續原子說與元素周期表等概念被提出以后，化學這門學科徐徐的從煉金術中獨立了出來；而不同元素間的轉變則要始終等到20世紀，人們有能力開始執行核反應后才得以完成。核反應分成核融合與核裂變，盡管兩者人類都已經做到了，但目前只有核裂變能穩定地運用在核電廠、核動力潛艇／動力裝備及醫療用途等等。

元素起點：大爆炸

現在把目光轉向宇宙，星體間進行核聚變的歷史已超過了100億年，幾乎等于宇宙的歷史，而這一切都得從宇宙的起源大爆炸說起。在大爆炸發生的瞬間，極高的能量密度讓宇宙飛快膨脹，在這個過程中產生了物質及反物質，不過，此時元素的基本單位原子尚未形成。經過幾分鐘，基本粒子（夸克、膠子等）生成后才有了質子（電離的氫原子）和中子，然后是約占25%的氦及一點點氘，外加很微量的鋰。

大爆炸核合成持續十幾分鐘后，由于密度及溫度的升高，宇宙無法進行更高階的核反應。而且這一等就是1億年左右，直到第一代的恒星形成…..…！

最初的反應：質子一質子鏈

在漫長的等候中，雖然物質組成單調，但它們并沒有閑著。彌漫于虛空中的部分氫和氦元素受引力吸引逐漸聚集成云團，并收縮成星體。在收縮的過程中，引力勢能一部分以輻射形式散失掉，另一部份轉為熱能讓星體的溫度大幅上升。最先被點燃的是氫，此時氫在先前的升溫中已被電離成質子，接著經過一系列核融合反應形成氘、氦-3與氦-4，然后，在反應溫度充足高的狀況下，氦-3和氦-4進一步透過融合反應形成少量的鋰-7及非穩定的鈹-7、鈹-8和硼-8，最后裂變為氦-4，絕大部分穩定的鋰、鈹和硼元素，最主要是碳-12被帶有高能質子的宇宙射線撞擊生成。這一系列反應由于最早由質子啟動，因此稱為「質子一質子鏈反應」。

由于氦的每個核子平均結合能為7.07百萬電子伏特（MeV），所以質子一質子鏈透過將氫融合成氦-4的凈反應會產生大量的能量；除了能啟動更多核融合反應，也是讓大部分恒星持續發光的主要原因。

核融合形成更重的元素

除了上述的質子一質子鏈反應，宇宙中大部份的恒星因為內部含有上代恒星所產生的其他較重元素，例如碳、氧和氮等，可以透過多個復雜的質子捕獲過程，最后吐出一個氦-4變回原狀，而放出能量。由于反應中，碳、氧和氮就猶如催化劑重復參與反應，因此稱為碳氧氮循環。當中除了將氫變成氦的凈反應可以產生大量的能量，也會產生如氟等其他少量元素。

在氦元素形成后，因為氫燃料的耗盡，恒星經過一段收縮及升溫過程而啟動氦融合反應，盡管2個氫-4融合成不穩定的鈹-8，但仍有肯定的機率在鈹-8衰變之前多捕獲幾個氦-4形成碳-12，并進一步形成氧-16以至氖-20，即氦融合反應。

至此，元素周期表的前兩列已大致上構筑完畢。而太陽天天在做的事便是以上提到的氫融合形成氦-4的反應序列，并且預期會在未來有氦融合反應的產生，而其他反應只有更大的恒星才有機會進行。首先是「碳融合」、「氖融合」、「氖鈉循環」及「鎂鋁循環」產生鈉、鎂及鋁，接著是「氧融合」產生的硅、磷和硫，最后是一系列硅與α射線（即氦原子核）的「硅融合」和幾個循環產生原子。

核融合的極限

前面提到的融合大多是放熱反應，不過需要相稱高的溫度才能啟動，以致每個階段在發動前都會有一陣「前一階段末期的無力感」，并發生引力塌陷，假如勢能釋放出的能量充足大便能爆炸，并啟動下一階段的核融合。而以釋放的能量比起來，從氫融合成氦是能釋放最多能量的核融合反應，后續元素彼此的核子平均結合能大多只是小幅提升，尤其乃-20之后的元素到結合能最高的鐵-56，其最高到最低差距不到1 MeV。

由于鐵的核子平均結合能最高，所以再往上進行核融合會變成吸熱而非放熱反應。因此，當大質量恒星（約大于10倍太陽質量）中央的核融合反應停止后，這時因為恒星產生的能量不足以支撐自身的引力，會再度引起引力塌陷，進而發生恒星塌縮型超新星爆炸。超新星爆炸除了能將前面產生的一部份元素們釋放至宇宙中，也會在爆炸本身過程中，經由爆炸導致的極高溫度，透過爆炸核融合反應產生各種包含鉻、鐵、鎳和鋅等其他少量更重的元素。這種類型的超新星爆炸和另一類熱核爆炸型超新星，也就是1A型超新星及其他各種類型的超新星，一起扮演著將各類星體制造出來元素釋放到星際介質中，孕育出下一代恒星的角色。

另外，也許大家會注重到前面提到的元素質量數都是4的倍數，這是因為氦以上的元素都以氦原子核作為原料。假如看見宇宙里豐度最高的元素前十名：氫-1（70.6%）、氦-4（27.5%）、氧-16（0.96%）、碳-12（0.30%）、氖-20（0.15%）、鐵-56（0.12%）、氮-14（0.11%）、硅-28（0.065%）、鎂-24（0.051%）、硫-32（0.040%）就會發現幾乎都是質量數為4倍數的元素！

雖然短短幾百字就講完核融合的常見反應，但實際上每一個階段之間的進程極為緩慢，光是最早要點燃氫就得花上數十萬年，進入氦為主的燃燒階段最快也要數百至數千萬年，燒得沒這么猛烈的恒星可能拖更久。以太陽為例，雖然已經發光發熱46億年，但氫仍然占據將近3/4的質量，氦約1/4，天然也無法進行后續的反應。

鐵以后的中子捕獲

至于鐵之后的元素，雖然沒方法透過核融合產生，但它們與自由中子碰撞時，仍有機會捕獲并產生更高質量數的原子，假如原子本身在吸收中子之后還算穩定的話（也就是衰變的傾向不高）就能繼承捕獲中子，等到開始不穩定，再透過β衰變讓原子序數加1。這種程序在一般的恒星中，只要有重元素和中子源就有機會發生。這時的中子可由氖-22或碳-13經氦核撞擊產生鎂-25或氧-16的過程中產生，但發生的速率很慢。這是福勒（William Fowler）、伯比奇夫婦（Margaret Burbidge and Geoffrey Burbidge）及霍伊爾（Fred Hoyle）于1957年發表，稱為慢中子捕獲過程的核合成反應。此過程可以產生最重元素是不穩定的鉍—210和釙一210及穩定的鉍- 209和鉛-206。

與慢中子捕獲過程相對應的，就是快中子捕獲過程，是中子捕獲的速率遠大于重元素β衰變的速率，因此需要在中子密度較高的環境中才能發生。在一般的恒星的生命周期內，并沒有方法產生高密度的中子環境。然而，天文學家發現若是能將中子星內中子密度極高的一小部份，以某種形式拋出，就有機會達到快中子過程的需要條件。中子星是在超新星爆炸后，引力塌陷的能量把電子都壓進質子后產生的超高密度中子集合體，其密度與核子差不多，等于把一個太陽質量的物質，壓縮到直徑是幾十公里大小的球體！

科學家發現，若是中子星與黑洞或另一中子星處于一個雙星系統，在數百萬年內，因為引力輻射導致兩個星體愈來愈近，接近合并時，由于中子星或黑洞表面強盛的潮汐力及合并的撞擊力，導致中子星的一部份會被撕裂，并以大約1/10光速被拋出，這時中子星內含原子就有機會在短工夫內與大量中子進行快速反應。快過程能讓元素在衰變前吸收更多的中子，產生更重的原子核，最重以至有可能形成原子序高達100，質量數高達300的元素。雖然快中子捕獲過程發生的條件比較難達成。但生存中常見的貴金屬如金、銀、鉑，及較出名的放射性物質如鐳、釷、鈾都只能透過此過程產生！

找不到的元素，就做出來吧！

介紹到這里，已經把天然界的元素說完了。不過，元素周期表上仍有很多空洞，有些元素沒有穩定態，就算能在早期的天文環境中被創造出來，也沒方法長期存活到現在。然而，在宇宙的一個小角落行星上，人類雖然才剛在漫長的宇宙歷史中登場幾十萬年，卻已經發現了原子內的秘密。科學家們依據已知的原子理論在天然界中尋覓極少量的重元素，但至今找到的元素并不能填滿元素周期表，于是科學家便大膽假設這些元素可以利用現有技術進行合成。

最初在天然界中被發現的合成元素是锝。早在元素周期表發明時，門捷列夫就已猜測锝的存在。不過因為沒有穩定的同位素，地球上锝存量十分少。1936年，锝在用于回旋加速器中的廢棄箔上被發現；而锝在天然界存在的證據，始終到1952年才在紅巨星的光譜被觀測到，并在1962年從礦中被分離出來。

锝是第五周期元素，所以相對輕易猜測。至于比天然界最重的锎249還重的元素，是在首次氫彈試爆的放射性落塵中發現的锿（Es）和鐨（Fm），原子彈和氫彈的爆炸都會牽涉到大量的中子生成，當中的重元素也有機會在爆炸時的一片混沌中進行快中子捕獲過程，在這場爆炸中，一部份的鈾238在短工夫內捕獲15個中子，并β衰變6~7次產生了锎253和锿253；另一部份的鈾238則吸收17個中子，經過7~8次β衰變形成锿255和鐨255。

人造元素通常都有相對短的半衰期（幾秒到幾百天），加上技術限制，所以人們對它們的熟悉并不多。其產量之低，從锝的幾十噸到锿的幾十克，第118號元素“氣奧”（Og）的產量以至以「個」為單位計算。21世紀后，第113、115~118號元素先后被發現，終于填滿了元素周期表的第七周期。至于未來是否會發現更重的元素，科學家們仍有許多的想像，也許某天漫威英雄漫畫中的傳說元素「涅槃鋼（Vibranium）」真有機會誕生在這個世界上！

四：中子源是什么樣子

常用的兩類中子源是連續中子源和化學中子源

中子測井是把裝有中子源和探測器的下井儀器放入井內，由于中子源發射的快中子按球狀向外遷移，在穿過井孔介質進入巖層的過程中，高能量中子與物質的原子核相互作用而減速，擴散和被吸收其能量不斷損失或減弱。采用兩個不同源距探測器來測量熱中子計數率的比值，以反映地層中的中子密度隨源距衰減的速率。將探測結果通過電纜輸送到地面儀器，經過計算處理記錄曲線。