金属的电子费米能级分布有什么特征

费米子可以是电子、质子、中子（自旋为半整数的粒子）

对于金属，绝对零度下，电子占据的最高能级就是费米能级。

费米能级的物理意义是，该能级上的一个状态被电子占据的几率是1/2。

费米能级在半导体物理中是个很重要的物理参数，只要知道了它的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。它和温度，半导体材料的导电类型，杂质的含量以及能量零点的选取有关。

中子的发现及其应用是二十世纪最重要的科技成就之一。中子诱发核裂变的发现导致了核武器和核能源的开发。中子是研究物质结构和动力学性质的理想探针，中子散射技术已在很多基础学科中如凝聚态物理（固体和液体），化学（特别是高分子化学），生物工程，生命科学，材料科学（特别是纳米材料科学）等多学科领域的研究中被广泛采用。中子生产的人工放射性同位素、中子活化分析、中子掺杂生产半导体器件、中子辐照加工等等，已被广泛应用于医疗和工业，并产生了巨大的经济效益。

最早期使用的中子源是放射性同位素中子源，将可以自发发射α射线的元素与靶物质混合在一块，靶物质吸收一个α射线粒子即可放射出一个中子，通过这种反应产生中子，其优点是中子源非常微小，用起来比较方便，但缺点也很明显，因为这种中子源的强度达不到太高，即中子注量率非常低，同时，这种中子源通常受到寿命的限制，随着时间的推移其源强逐渐衰减，这些缺陷影响和限制了它的使用。

20世纪用于中子核物理研究的主要工具是用低能粒子加速产生的带电粒子束轰击靶，通过核反应来产生中子，它的特点是，能量单一、脉冲性能比较好，这对于精密的核物理实验非常重要。缺点是中子的注量相对较低，中子产生效率较低，不太经济。例如用400千电子伏特的氘反应来产生中子，每产生一个中子，要消耗一万兆电子伏特的能量。因此，低能加速中子源不适合于生产同位素、生产核材料。

反应堆中子源应用最为广泛。一般情况下反应堆中子源所能提供的中子注量率为1013-14/cm2.s，20世纪90年代之后，国际上已经有了高通量研究性反应堆，中子注量率可以达到1015/cm2.s，一些大型的快堆，可达5×1015/cm2.s，接近反应堆中子源受材料与热工限制的极限，已是相当强的中子源。但由于反应堆散热技术的限制，反应堆提供的中子通量很难超过当前美国的HF高通量堆达到的最高指标 3 ×10 15 n/cm2.s。

散裂中子源的出现突破了反应堆中子源中子通量的极限。当快速粒子如高能质子轰击重原子核时，一些中子被“剥离”，或被轰击出来，在核反应中被称为散裂。散裂反应和裂变反应的不同点是：它不释放那么高的能量，但它可以将一个原子核打成几块，可能是三块，也可能是四块，这个过程中会产生中子、质子、介子、中微子等产物，对开展核物理前沿课题研究和应用研究非常有用，且所产生的中子还会在相临的靶核上继续通过核反应产生中子——即核外级联。一个质子在后靶大概可以产生20到30个中子，这是散裂中子源的基本条件。

20世纪80年代起，质子加速驱动的散裂中子源，逐渐地进入实际应用阶段。其原理比较简单，用中能强流质子加速，产生1GeV左右的中能质子（束功率为兆瓦量级）轰击重元素靶（如铅、钨或者铀、钍重靶），在靶中产生散裂反应，具有高有效中子通量、无放射性核废料等特征。

散裂中子源的特点是在比较小的体积内可产生比较高的中子通量，每个中子能量沉积比反应堆低4-8倍 单位体积的中子强度比裂变堆高4-8倍 可用较低功率产生与高通量堆相当或更高的平均中子通量。要达到1×1015/cm2.s 的平均中子通量，散裂源需5兆瓦束功率，而高通量堆则需60兆瓦热功率。散裂中子源的脉冲特性是由加速所决定的，因此它的脉冲化对于中子通量并不造成损失，如果配上飞行时间技术，可以具有很高的时间分辨性能，对于开展材料和生命科学中，包括一些中子核物理，一些动态特性的研究极为关键。散裂中子源能提供的中子能谱更加宽广，它可以提供从电子伏特，到几百兆电子伏特宽广能区的中子，大大地扩展了中子科学研究的范围，拓深了中子科学研究的领域。发达国家正把建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要措施。

展望21世纪中子科学装置的主流发展趋势，一是高通量研究性反应堆，另一是散裂中子源，高通量反应堆的源强要达到 1×1015/cm2.s，散裂中子源束功率要达到兆瓦量级。这两类中子源的特点和优势互相补充，成为材料、生物、生命、核物理等学科研究不可缺少的工具，为相关尖端技术如纳米、信息、环境、医药等的发展提供创新的平台。兆瓦级的多用途脉冲散裂中子源是当前世界上中子源发展趋势，它为21世纪前沿科学发展作出的贡献不可估量。它不但是为物理、化学、生物、材料等基础研究课题服务的中子散射的大科学平台，也可以成为为核物理、天体物理、核医学、核化学、能源工业和国防建设服务的大科学平台。

21世纪，中子作为研究物质微观结构的一个理想探针将在基础研究领域发挥重要的作用。散裂中子源与高通量研究性反应堆，也将在21世纪最有生命力、最活跃的学科，如材料科学、生命科学和一些工程技术应用领域，继续发挥它的重要作用。 在人们解出基因结构后，蛋白质与生物大分子联合体的结构与功能便成为生命科学的主要挑战之一。中子是确定蛋白结构中氢原子位置的最有力的方法，为理解蛋白功能及药物设计提供不可缺少的信息。

工程材料、金属疲劳、氢化、腐蚀、形变每年造成上万亿元的损失和无数严重事故。高通量中子能穿透一切金属体，为理解材料的这种变化的机理，以找出合格的新工程材料及新工艺有了可能。美国一飞机制造公司花上百万美元将发动机装上脉冲中子源的谱仪，在发动机运转时实时测定机件材料的疲劳过程和改进。

比铁重的重元素的合成，主要来源于中子俘获，即它吃掉一个中子放出一个光子，原子序数不变，但质量数增加一位。这个过程可以不断地进行，它还要继续吃中子，当然还要经过beta衰变。从铁开始，到锕系核，这些核素的产生都是这样形成的。要模拟这样一个过程，必须知道大量的中子俘获截面准确数据，用其他的中子源开展这方面的测量很困难，或者说不可能。因为有一些截面很小，作用几率很低。有一些核素它的同位素样品，制备起来很困难，所以样品量很小，用一般低强度的中子源无法进行实验，只能用高通量堆或散裂中子源来做实验。

中子和核子的相互作用，或者说中子和靶核的相互作用都是强相互作用。如果用质子打靶去做研究，因为有库仑位垒的关系，理论描述非常复杂，而用中子打靶去做研究，描述就非常简化。所以用中子开展这类实验，可以非常清晰地获取强相互作用的有关信息，非常有意义。

核物理学科和天体物理学科的交叉研究形成了新的学科——核天体物理学，该学科主要研究恒星元素的形成以及它的丰度分布，中子核反应有若干参数在其中起着至关重要的作用。高通量堆及兆瓦的散裂中子源能提供的源强，可以用来研究一些极其罕见的稀有的事件。以非常低的样品量来开展这方面的研究工作，有很大的实际意义，如天体物理研究用到的一些参数非常重要，要做这种参数的测量，同位素的样品的制备极为不易，样品量不可能高，如果采用强流中子科学装置，就有可能只使用纳克量级的样品量就能完成研究工作。

氚是重要的军用核材料，一台功率为5 MW的质子加速驱动的散裂中子源可以有年产60克氚的能力。一个50～100kW束功率的加速有年生产2公斤钚的能力。航天器件的空间辐照效应已经成为影响卫星寿命的主要因素之一，用加速进行空间辐照效应的模拟是唯一的地面实验方法，一个中能的质子加速可以在这方面发挥重要的作用。

美国Los Alamos 国家实验室正在运行的中等水平的散裂中子源（LANSCE）上有一个以武器中子研究（WNR）命名的实验终端。它在禁试情况下为保持核威慑力量而进行的相关研究中扮演着重要的角色。

兆瓦级级中能强流质子加速还可作为开展洁净核能源（ADS）相关的物理及技术研究的一个台阶，强流中子束有可能将核反应堆产生的长寿命放射性同位素转变为短寿命和稳定同位素，变核废料为核原料，开发新核能源。

在其他重要应用领域，如中子活化分析、中子掺杂生产半导体器件、中子辐照育种、中子探伤、中子照相、中子测井等等，广泛地服务于像国家安全、资源勘测、环境监测、农业增产等等领域都产生了不可估量的社会效应。