中子為什麼如此奇特？

相比起其它粒子來說，中子的衰變速率可謂極為緩慢，其它粒子的衰變速率大都在百萬分之一秒乃至萬億分之一秒之內，而一個自由的中子需要經過大約15分鐘，才衰變為一個質子、一個電子和一個反中微子。但是為啥要等這麼長的時間才衰變呢？部分原因是中子和質子的質量很接近，如果母粒子與子粒子質量很接近的話，那麼衰變速率就會變得非常緩慢。這並不奇怪，因為如果子粒子質量要是具有更多的質量直至等於母粒子的話，那麼衰變速率就會降為零。

但是，把一個中子放在一個特定的原子核裡，它就變得穩定了！例如，氦原子有兩個質子和兩個中子，氦原子裡面的中子的壽命相當於宇宙的年齡，甚至更長。事實上，這種事情發生在元素周期表中所有的穩定元素的原子核中。

這其實與能量如何發揮作用有關。我們首先就來探討這個能量問題，然後再以氘核做例子來回答這個問題。

地球與月球

要理解這個問題，我們首先來想想地球與月球這個系統。我們知道地球的存在，會在周圍空間中產生一個引力場。然後再考慮月球，很顯然月球的存在會影響地球的引力場，反之亦然。所以說，地球和月球之間通過引力場有了相互作用。這種相互作用是蘊含著能量的，那具體情況是怎樣的呢？

假設月球處在離地球無窮遠處，那麼它們之間的相互作用應該是零，我們就可以設定此時的相互作用能為零。不過事實上月球就在地球附近，如果要把月球拉倒無窮遠處，我們得需要額外的能量才能推走月球，並使相互作用能變為零。那麼根據能量守恆，很顯然原來的相互作用能必須是負的，這樣再加上額外的能量才能變為零。（其實，這種相互作用能有一個更為通俗的稱呼，就是「勢能」，不過為了不至於混淆，我們還是使用「相互作用能」。）

相互作用能是負的，拆開月球和地球需要正的能量——這就是為什麼月球與地球不能彼此飛離。事實上，如果真要把月球和地球拆開，需要的能量十分巨大，目前人類所有的技術手段都產生不出那麼多的能量。

氘核內的中子

通過類比地球與月球，我們來考慮一下氘（氫的同位素）的原子核。氘核很簡單，由一個質子和一個中子構成。而質子和中子之間存在著相互作用，這樣就有相互作用能，而且根據計算會發現，其絕對值大於裡面粒子的動能，這正是氘核穩定的原因。下面我們來看看公式推導：

氘核的靜能=質子的靜能+中子的靜能+質子的動能+中子的動能+相互作用能

在這個公式裡，相互作用能是負值，並且其數值大於質子的動能+中子的動能，因此不難看出：

氘核的靜能< 質子的靜能 + 中子的靜能

根據質能等價原理，很容易得出如下結論：

氘核的質量 < 質子的質量 + 中子的質量

我們之前說過，所有衰變後產生的粒子，其質量總和一定小於衰變前的母粒子質量。現在，我們終於可以回答為什麼氘核內的中子不能衰變的問題了。

假設中子可以發生衰變，那麼氘核就會變成兩個質子、一個電子和一個反中微子。兩個質子都具有正電荷，彼此排斥，與此同時，電子和反中微子也會離開現場。這樣它們之間可以說沒有了負的相互作用能，系統只包含所有粒子的靜能和動能。既然動能總是正的，那麼衰變後系統的能量至少要大於所有粒子的靜能。不過，科學數據表明兩個質子的靜能之和就已經超過了氘核的靜能，也就是說衰變後的質量大於衰變前的質量。所以，氘核內的中子不能衰變。

另外，這種情況也適用於所有的穩定的原子核，但並不是所有原子核裡的中子都是穩定的，一些的不穩定元素，其內部的中子是可以衰變的。不過在衰變之前，它們都能存活一段時間。它們的衰變過程也五花八門，例如質子變成中子，中子變成質子，有的還放出阿爾法粒子等等。