中性子
中性子とは、原子核を構成する核子の一種であり、電荷を持たず質量は陽子とほぼ等しい。1932年にジェームズ・チャドウィックによって発見された。この発見は原子構造の理解を大きく前進させ、核物理学や素粒子物理学の急速な発展をもたらした。電荷を帯びていないため物質中を移動する際にクーロン力による妨げを受けにくいが、その一方で、人工的に制御するには特別な技術が必要とされる。核反応、特に核分裂や核融合の分野では中性子の挙動が非常に重要であり、原子炉の運転や核兵器の設計などに深く関わっている。
基礎的な性質
質量は陽子とほぼ等しいが電荷を持たない中性子は、原子核内部で陽子とともに核力によって結びついている。単体の中性子（自由中性子）は不安定であり、約880秒の半減期でベータ崩壊を起こして陽子・電子・反電子ニュートリノへと変化する。この事実から、中性子が陽子へ転化する際にベータ粒子（電子）が放出されるベータ崩壊のメカニズムが明確に理解されるようになった。また、スピンは1/2であり磁気モーメントを持つ点が、電荷を帯びない粒子としては特筆される性質の一つとなっている。
核子としての役割
原子核の安定性は、陽子と中性子の数のバランスによって大きく左右される。陽子の反発力を核力が補う形で均衡を保っており、同位体の種類に応じて核内のエネルギー準位や崩壊モードが決まる。中性子数が適切な範囲を超えると核が不安定になり、放射性崩壊を引き起こす。また、質量数の大きい核種ほど中性子の割合が高くなる傾向があり、超重元素の合成研究では、中性子過剰領域での核反応が焦点となっている。
核反応と中性子
核分裂反応では、ウランやプルトニウムなどの重い原子核に中性子が衝突して核が分裂し、複数の高速中性子が放出される。これら高速中性子が次々に他の核を分裂させることで連鎖反応が継続する。同様に、核融合では超高温下で軽い原子核（重水素や三重水素など）が融合し、高エネルギーの中性子が生じる。こうした中性子を制御・活用する技術が原子力発電や核兵器開発での核心的テーマとなってきた。
熱中性子と高速中性子
- 熱中性子：低エネルギー領域（～0.025eV）で、核分裂断面積が大きい
- 高速中性子：高エネルギー領域（～数MeV）で、減速材がないと分裂効率が低い
- 減速材：軽水や重水、黒鉛などが高速中性子を効率よく熱中性子へと減速させる
中性子の利用と応用
中性子は固体物理や材料科学、化学分野でも幅広く応用されている。代表的な例として、中性子回折を利用した結晶構造解析が挙げられる。中性子は物質中の軽元素、特に水素の位置を精密に測定できるため、高分子材料や生体分子の構造研究に重宝される。また、中性子放射化分析ではサンプルを中性子照射して生じる放射性同位体を分析することで、微量元素の定量が可能になる。これらの技術は物質科学や環境分析、医療分野などにおいて重要な計測手段として確立されている。
放射線防護と安全性
陽子や電子と異なり電荷を持たない中性子は、物質中を深くまで進む性質があり、遮蔽には水素を多く含む物質（例えばパラフィンやポリエチレンなど）が効果的だとされる。中性子線による被ばくは、体内組織を損傷する恐れがあるため原子炉や加速器施設などで厳格な管理が行われている。また、核セキュリティの観点でも不正な核物質の流出を防ぐため、強力な中性子源の扱いには国際的な監視体制が敷かれている。