{{위키데이터 속성 추적}}
{{원소 정보/중성자}}
{{입자 정보
|이름 = 중성자
|그림 = Neutron quark structure.svg
|그림_설명 = 중성자의 쿼크 구성
|구성 = 1 up, 2 down
|가족 = [[페르미온]]
|무리 = [[쿼크]]
|세대 =
|반입자 = [[반중성자]]
|발견 = [[제임스 채드윅]]([[1932년]])
|기호 = n, n<sup>0</sup>
|질량 = 1.674 927 29(28) × 10<sup>−27</sup> [[킬로그램|kg]]<br />939.565 560(81) [[전자볼트|MeV]]/[[빛의 속도|c]]²<br />1.00866491600(43) [[원자 질량 단위|u]]<ref>Mohr, P.J.; Taylor, B.N. and Newell, D.B. (2011), [http://physics.nist.gov/constants "The 2010 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants"] (Web Version 6.0). The database was developed by J. Baker, M. Douma, and S. Kotochigova. (2011-06-02). National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland 20899.</ref>
|전하 = 0e
0 [[쿨롱|C]]
|스핀 = ½
}}
'''중성자'''(中性子, neutron)는 [[원자핵]]을 구성하는 것 중 [[전하]]('''電荷 :''' 물체가 띠고 있는 정전기의 양)가 없는, [[양성자]]보다 약간 무거운 [[핵자]]다. [[양성자]]와 함께 [[원자핵]]을 이룬다. 한 개의 [[위 쿼크]], 두 개의 [[아래 쿼크]]로 이루어져 있다. [[제임스 채드윅]]이 발견하였다. 자유 상태에서는 불안정하고, 반감기는 614초(10분 14초)다. 그러나 [[원자핵]] 안에 갇히면 안정하다.

중성자는 [[아원자 입자|아원자]] [[강입자]](subatomic hadron)로써 n이라고 표시한다. [[전하]]는 없으며 질량은 [[양성자]]보다 조금 크다. [[경수소]]를 제외한 다른 [[원자]]'의 [[원자핵]]은 [[양성자]]와 중성자로 이루어져 있으며 이 둘을 합쳐 [[핵자]]라 부른다. 원자핵을 이루고 있는 양성자의 개수를 [[원자 번호]]라 하며 이는 원소의 종류를 결정한다. 중성자는 [[핵력]]을 통해 양성자와 묶여 [[원자핵]]을 이룰 수 있으며 [[양성자]]들 끼리만 모여있으면, 서로 같은 전하를 띠고 있어 반발한다([[diproton]] 참조). 이 때 [[양성자]]들을 반발시키는 [[전자기력]]이 핵력의 인력보다 강하기 때문에 양성자만으로는 원자핵을 이룰 수 없다.<ref>[http://ansnuclearcafe.org/2011/10/19/pioneers102011/ Sir James Chadwick’s Discovery of Neutrons] {{웨이백|url=http://ansnuclearcafe.org/2011/10/19/pioneers102011/ |date=20111026055138 }}. ANS Nuclear Cafe. Retrieved on 2012-08-16.</ref> 중성자의 수는 물질의 [[동위 원소]]를 결정한다. 예를 들면, [[탄소]]의 대다수를 차지하는 [[탄소-12]]는 6개의 양성자와 6개의 중성자를 가지고 있는 반면 그 수가 매우 적은 [[탄소-14]]는 6개의 양성자와 8개의 중성자를 가지고 있다.

묶인 중성자(bound neutron)은 안정한 반면([[핵종]]에 따라 다름) 자유 중성자는 불안정하다. 자유중성자는 [[베타 붕괴]]를 일으키며 평균 수명이 약 881.5초이다.<ref name="RPP">{{저널 인용|doi=10.1088/0954-3899/37/7A/075021|title=Review of Particle Physics|year=2010|last1=Nakamura|first1=K|journal=Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics|volume=37|issue=7A|pages=075021|bibcode= 2010JPhG...37g5021N}} [http://pdg.lbl.gov/2011/listings/rpp2011-list-n.pdf PDF with 2011 partial update for the 2012 edition]The exact value of the mean lifetime is still uncertain, due to conflicting results from experiments.The Particle Data Group reports values up to six seconds apart (more than four standard deviations), commenting that "our 2006, 2008, and 2010 Reviews stayed with 885.7±0.8 s; but we noted that in light of SEREBROV 05 our value should be regarded as suspect until further experiments clarified matters. Since our 2010 Review, PICHLMAIER 10 has obtained a mean life of 880.7±1.8 s, closer to the value of SEREBROV 05 than to our average. And SEREBROV 10B[...] claims their values should be lowered by about 6 s, which would bring them into line with the two lower values. However, those reevaluations have not received an enthusiastic response from the experimenters in question; and in any case the Particle Data Group would have to await published changes (by those experimenters) of published values.At this point, we can think of nothing better to do than to average the seven best but discordant measurements, getting 881.5±1.5s. Note that the error includes a scale factor of 2.7. This is a jump of 4.2 old (and 2.8 new) standard deviations. This state of affairs is a particularly unhappy one, because the value is so important. We again call upon the experimenters to clear this up."</ref> 자유 중성자는 [[핵분열]]이나 [[핵융합]] 반응에서 만들어진다. [[중성자 발생 장치]]나 [[연구용 원자로]]가 중성자 생성 전용 [[중성자원]]으로 쓰이고 [[파쇄]]원은 [[조사]](irradiation)나 [[중성자 산란]] 실험에 쓰인다. 자유 중성자가 [[원소 (화학)|화학 원소]]는 아니지만, 가끔 핵종 테이블에 포함되기도 한다.<ref>[http://www.nndc.bnl.gov/nudat2 Nudat 2]. Nndc.bnl.gov. Retrieved on 2010-12-04.</ref>

중성자는 원자력 발전에 가장 중요한 요소이다. 중성자는 [[1932년]]에 발견되었고 [[1933년]]에는 핵의 [[핵 연쇄 반응]]을 조절할 수 있다는 게 밝혀졌다. [[1930년대]], 중성자는 여러 종류의 핵 변환(nuclear transmutation)을 만들기 위해 쓰였다. [[1938년]] 핵분열 현상이 발견되었을 때, 핵분열에서 중성자가 만들어진다면, 이 때 만들어진 중성자가 [[연쇄 반응]]을 가능하게 만든다는 사실이 밝혀졌다. 이는 [[1939년]] 원자력 에너지 생산으로 증명되었다.
이는 세계 최초 자동 핵 연쇄반응인 [[시카고 파일 1|시카고 파일]](Chicago Pile-1, 1942년)과 [[핵무기]]의 생산을 이끌어냈다.

== 발견 ==
1920년, [[어니스트 러더퍼드]]는 중성자 존재의 가능성을 인지했다.<ref name="chemed.chem.purdue.edu">[http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/history/rutherford.html Ernest Rutherford]. Chemed.chem.purdue.edu. Retrieved on 2012-08-16.</ref><ref>
{{저널 인용
 | author = E. Rutherford
 | year = 1920
 | title = Nuclear Constitution of Atoms
 | journal = [[Proceedings of the Royal Society A]]
 | volume = 97 | pages = 374
 | doi = 10.1098/rspa.1920.0040
|bibcode = 1920RSPSA..97..374R }}</ref> 러더퍼드는 어떤 원자의 원자번호와 질량 차이가 원자핵 안에 위치한, 중성적으로 하전된 입자에 의해 설명될 수 있다고 생각했다. 그는 중성자를, '전자와 양성자가 동시에 존재하는 것'으로 생각했다.<ref>{{저널 인용|doi=10.1098/rspa.1920.0040|jstor=93888|title=Bakerian Lecture. Nuclear Constitution of Atoms|year=1920|last1=Rutherford|first1=E.|journal=Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences|volume=97|issue=686|page=374|bibcode = 1920RSPSA..97..374R }}</ref>

1920년대 물리학자들은 원자핵이 양성자와 전자로 이루어졌다는 모델을 받아들이고 있었다.<ref name = Brown>{{저널 인용|doi=10.1063/1.2995181|title=The idea of the neutrino|year=1978|last1=Brown|first1=Laurie M.|journal=Physics Today|volume=31|issue=9|pages=23}}</ref><ref name=FK>Friedlander G., Kennedy J.W. and Miller J.M. (1964) ''Nuclear and Radiochemistry'' (2nd edition), Wiley, pp. 22–23 and 38–39</ref> 원자핵이 모두 양성자로만 이루어졌다고 가정했을 때 실제 원자는 그 반의 전하만 띠고 있다. 이는 "핵전자"의 존재로 설명되었는데 이 "핵전자"는 양성자의 전하를 상쇄시킨다. 14의 질소는 14개의 양성자와 7개의 전자로 이루어져 있으며 따라서 +7의 전하와 14의 원자량을 가진다고 생각했다(이는 현대에 와서 잘못된 모델로 판명된다.).

[[양자역학]]에서는, 어느 정도의 에너지를 갖고있으면서 전자처럼 가벼운 입자는 원자핵의 좁은 공간에 위치될 수 없다고 한다. 1930년 소련의 Viktor AMbartsumian과 Dmitri Ivanenko는, 핵은 양성자와 전자로 이루어질 수 없다는 사실을 발견했는데, 이는 그 시절 상식과 상반된다. 그들은 양성자 옆에 어떤 중성적 입자가 있어야 함을 입증했다.<ref>{{저널 인용|doi=10.1007/s10511-008-9016-6|title=V. A. Ambartsumian— a life in science|year=2008|page=280|volume=51|journal=Astrophysics|url=http://www.springerlink.com/content/ek2q156624661848/fulltext.pdf|bibcode=2008Ap.....51..280T|issue=3}}{{깨진 링크|url=http://www.springerlink.com/content/ek2q156624661848/fulltext.pdf }}</ref><ref>Ambartsumian and Ivanenko (1930) "Об одном следствии теории дирака протонов и электронов" (On a Consequence of the Dirac Theory of Protons and Electrons), Доклады Академии Наук СССР (Doklady Akademii Nauk SSSR / Proceedings of the USSR Academy of Sciences) Ser. A, no. 6, pages 153-155. [http://ambartsumian.ru/dvd/Publications/Papers/1930DANSSSR___153A.pdf Available in Russian on-line.]</ref>

1931년, [[발터 보테]]와 Herbert Becker는 독일에서 다음과 같은 발견을 했다. 높은 에너지를 가진 [[알파 입자]]가 [[베릴륨]], [[붕소]], [[리튬]] 같이 가벼운 물질에 부딪치면 보통은 잘 생기지 않는 투과성 방사선이 생긴다는 것이다. 처음엔 이 방사선을 [[감마선]]이라고 생각했지만 기존에 있던 어떤 감마선보다 투과성이 좋았으며, 이 방사선을 감마선이라고 가정하고 실험을 하면, 제대로 실험의 결과를 해석할 수 없었다.<ref>{{저널 인용|doi =10.1007/BF01390908 |title =Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen |trans_title = Artificial excitation of nuclear γ-radiation |year =1930 |last1 =Bothe |first1 =W. |last2 =Becker |first2 =H. |journal =Zeitschrift für Physik |volume =66 |issue =5–6 |page =289|bibcode = 1930ZPhy...66..289B }}</ref><ref>{{저널 인용|doi =10.1007/BF01336726 |title =Die in Bor und Beryllium erregten γ-Strahlen |trans_title = Γ-rays excited in boron and beryllium|year =1932 |last1 =Becker |first1 =H. |last2 =Bothe |first2 =W. |journal =Zeitschrift für Physik |volume =76 |issue =7–8 |page =421|bibcode = 1932ZPhy...76..421B }}</ref> 그 이듬해 [[이렌 졸리오퀴리]]와 남편 [[프레데리크 졸리오퀴리]]가 파리에서 해당 분야에 중요한 기여를 하였다.<ref>{{저널 인용|author1=Joliot-Curie, Irène|author2=Joliot, Frédéric|url=http://visualiseur.bnf.fr/CadresFenetre?O=NUMM-3147&I=1236|title=Émission de protons de grande vitesse par les substances hydrogénées sous l'influence des rayons γ très pénétrants|trans_title=Emission of high-speed protons by hydrogenated substances under the influence of very penetrating γ-rays|volume=194|page=273|year=1932|journal=Comptes Rendus|access-date=2013-08-13|archive-date=2022-03-04|archive-url=https://web.archive.org/web/20220304054301/http://visualiseur.bnf.fr/CadresFenetre?O=NUMM-3147&I=1236|url-status=}}</ref> 이 방사선이 [[파라핀]] 혹은 기타 수소를 포함한 화합물과 부딪치면 매우 높은 에너지를 가진 양성자가 튀어나온다는 것이다. 이를 통해 보일 수 있는 사실은 다음과 같다. 이 방사선을 감마선으로 가정했을 때, 그 기본 성질과 모순될 뿐 아니라(감마선이 물질과 반응 할 때는 [[광전효과]], [[쌍생성]](Pair production), [[콤프턴 산란]]을 일으키며, 이 셋 중 어느것도 양성자를 나오게 할 수 없다) 이러한 가정을 하고 자세한 양적 해석을 하려면 점점 더 어려워진다.

1932년, [[제임스 채드윅]]는 [[케임브리지 대학교]]에서 감마선 가정이 틀렸음을 보여주는 실험을 하였다.<ref>
{{저널 인용|doi = 10.1098/rspa.1933.0152 |title = Bakerian Lecture. The Neutron |year = 1933 |last1 = Chadwick |first1 = J. |journal = Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences |volume = 142 |issue = 846 |page = 1|bibcode = 1933RSPSA.142....1C }}</ref> 그는 알파입자가 가벼운 물질에 부딪혀 생기는 방사선이 전하를 거의 띠지 않으며 질량은 양성자와 거의 비슷하다고 주장했고 실험으로 그 사실을 증명하였다.<ref>
{{저널 인용
 |last=Chadwick |first=James
 |year=1932
 |title=Possible Existence of a Neutron
 |journal=[[네이처|Nature]]
 |volume=129 |page=312
 |doi=10.1038/129312a0
|bibcode = 1932Natur.129Q.312C
 |issue=3252}}</ref> 이 방사선을 중성자(neutron)라고 불렀고 그 이름은 라틴어에서 나온 neutral과 그리스어 접미사 -on을 합친것이다.

=== 원자핵 양성자-중성자 모델 ===
채드윅의 발견과 ''양성자-전자 모델'',<ref name=Brown/><ref name=FK/>의 문제를 인지한 후, 사람들은 원자핵이 양성자와 중성자로 이루어졌다고 생각하게 되었다.

특히, 이질소(N<sub>2</sub>)의 분자 [[분광학]]에서 짝수 회전준위(even rotational levels)에 의한 전이(transition)가 홀수(odd)에 의한 것보다 잘 일어났다. 이는 짝수 회전준위가 더 우세함을 뜻한다. [[양자역학]]과 [[파울리 배타 원리]]에 따르면 상기 현상은 N-14 핵의 스핀이 ħ([[플랑크 상수]]를 2π로 나눈 것)의 정수배임을 뜻한다.<ref>Atkins, P.W. and J. de Paula, P.W. (2006) "Atkins' Physical Chemistry" (8th edition), W.H. Freeman, p. 451</ref><ref>Herzberg, G. (1950) ''Spectra of Diatomic Molecules'' (2nd edition), van Nostrand Reinhold, pp. 133–140</ref> 양성자와 전자는 각각 스핀 1⁄2 ħ(+혹은 -)을 갖는다. 양성자-전자 모델에서 N-14는 양성자 14개, 전자 7개를 가지고 있어야한다. 하지만 이 21개의 ±1⁄2 ħ로는 ħ의 정수배를 만들 수 없으므로 양성자-전자 모델은 앞서 기술된 분광학 현상에 위배된다.

그렇지만 양성자-중성자 모델은 이 현상을 설명할 수 있다. [[페르미]]의 베타 붕괴 이론(theory of beta-decay)에서, 각운동량 보존법칙을 만족하기 위하여 중성자 또한 스핀이 ±1⁄2 ħ가 되어야한다. N-14의 핵이 중성자와 양성자 3쌍으로 이루어졌다고 생각하면 양성자-중성자 모델로 정수배 ħ가 설명 가능해진다. 머지 않아, 다른 여런 핵종들의 스핀 차이도 이와 같은 방식으로 설명 될 수 있었고, 따라서 중성자는 원자핵의 기본적인 구성물로 받아들여지게 되었다.

== 이용 ==
중성자는 핵반응에서 중요한 역할을 한다. 예를 들면, [[중성자 포획]](neutron capture)은 [[중성자 활성화]](neutron activation)를 일으키고 결과적으로 방사능을 띠게 된다. 특히, 중성자는 원자로와 핵무기 분야에서 중요하다. [[우라늄-235]]나 [[플루토늄-239]] 등의 [[핵분열성]](fissile) 물질은 중성자를 흡수하며 핵분열을 일으킨다.

cold, thermal, hot neutron에 속하는 중성자는 보통 중성자 산란 설비에 쓰이는데, 이는 [[엑스선]]과 같이 [[응집물질]]([https://en.wikipedia.org/wiki/Condensed_matter condensed matter])을 분석하는데 쓰인다.

"중성자 렌즈"에 대한 연구도 진행 중인데, 속이 빈 유리 모세관 내부 [[전반사]]를 이용하거나, 딤플형 알루미늄판의 반사를 이용하여 중성자 현미경 사용과 중성자/감마선 [[단층촬영]](tomography)을 할 수 있다.<ref>{{저널 인용|last=Kumakhov |first=M. A. |author2=Sharov, V. A. |year=1992 |title=A neutron lens |journal=[[네이처|Nature]]  |volume=357 |issue= 6377|pages=390–391 |doi=10.1038/357390a0 |bibcode = 1992Natur.357..390K }}</ref><ref>[http://www.physorg.com/news599.html Physorg.com, "New Way of 'Seeing': A 'Neutron Microscope'"]. Physorg.com (2004-07-30). Retrieved on 2012-08-16.</ref><ref>[http://www.nasa.gov/vision/earth/technologies/nuggets.html "NASA Develops a Nugget to Search for Life in Space"] {{웨이백|url=http://www.nasa.gov/vision/earth/technologies/nuggets.html |date=20140308200231 }}. NASA.gov (2007-11-30). Retrieved on 2012-08-16.</ref>

중성자는 주로 물질에서 즉발(prompt) 혹은 지발(delayed) 감마선을 만들기 위해 쓰인다. 이는 NAA([https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_activation_analysis neutron activation analysis])와 PGNAA([https://en.wikipedia.org/wiki/Prompt_gamma_neutron_activation_analysis Prompt-gamma neutron activation analysis])의 기본이 된다. NAA는 원자로에서 작은 표본 물질을 분석하는 데 제일 많이 쓰이는 방법이다. 반면 PGNAA는 시추공 근처 지하에서 나온 바위나 산업용 대형 물질을 분석하는 데 가장 많이 쓰이는 방법이다.

중성자의 또 다른 이용처로는 작은 핵의 검출이다. 특히 물 분자에서 수소를 찾는 데 쓰인다. 고속중성자가 가벼운 핵에 충돌하면, 자신이 가진 에너지의 상당부분을 잃는다. 수소에 충돌한 후 속도가 줄어든 중성자가 [[중성자 수분 측정기]]([https://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_probe neutron probe])로 돌아온 것을 측정하면 토양 속 수분을 함량을 알아낼 수 있다.

== 중성자와 물질의 반응 ==
중성자는 물질과 충돌하여 몇 가지 반응을 일으킨다. 크게 두가지로 나누자면 산란(scattering)과 흡수(absorption)이다. 산란은 [[탄성산란]](elastic scattering)과 비탄성 산란(inelastic scattering)으로 나뉜다. 흡수는 하전입자 반응(charged particle reactions), 중성자 생성 반응(neutron-producing reactions), 분열(fission), 방사성 포획(radiative capture) 등으로 나뉜다.

== 에너지에 따른 중성자 분포 ==
* 고속중성자(fast neutron)
* 저속중성자(slow neutron): 0.4eV보다 작은 운동에너지
* epithermal neutron: 1eV ~ 10keV
* hot neutron: 0.2 eV
* 열중성자(thermal neutron): 0.025eV
* 냉중성자(cold neutron): 5 × 10<sup>−5</sup> ~ 0.025eV
* very cold neutron: 3 × 10<sup>−7</sup> ~ 5 × 10<sup>−5</sup>eV
* ultra cold neutron: 3 × 10<sup>−7</sup>eV보다 작은 에너지

== 중성자를 생산하는 세계적인 원자로 ==
* [[대한민국]] -한국원자력연구원 [[하나로 원자로|하나로]] 30MW, 100MW(개발됨)
* [[일본]] -일본원자력연구기구 JRR-3M과 J-PARC
* [[미국]] - NIST NBSR, ORNL HFIR & SNS, LANL
* [[프랑스]] - ILL
* [[독일]] - HMI의 BER, FRM-II

== 같이 보기 ==
{{위키공용분류}}
중성자와 이름이 유사한 입자가 여럿 있지만, 관계 없는 입자다.
* [[중간자]]
* [[중성미자]]는 이름은 비슷하지만 이는 [[렙톤]]에 속한다.
* [[초대칭]] 입자 중의 하나인 [[뉴트랄리노]]도 이름은 비슷하지만 다른 성질을 가지고 있는 입자이다.
* [[중성자별]]

== 각주 ==
{{각주|30em}}

{{기본입자}}
{{방사선}}

{{전거 통제}}

[[분류:중성자| ]]
[[분류:중입자]]
[[분류:핵자]]