Нейтро́н — елементарна частинка, яка входить до складу ядра.
| нейтрон | |
| Кваркова структура нейтрона | |
| Склад: | один u-кварк, два d-кварки |
|---|---|
| Родина: | ферміон |
| Група: | адрон |
| Покоління: | перше |
| взаємодії: | всі |
| Античастинка: | антинейтрон |
| статус: | відкрита |
| Символ: | n |
| Число типів: | 2, разом із протоном |
| Маса: | 939,6 МеВ/c2 |
| Час життя: | 885.7(8) c у вільному стані |
| Розпадається на: | протон, електрон і антинейтрино |
| Електричний заряд: | 0 |
| Кольоровий заряд: | біла |
| Спін: | ½ |
Загальна характеристика
Нейтрон — електрично нейтральна частинка, що входить до групи частинок під назвою баріони, котрі в свою чергу входять до складу групи адронів. Електрична нейтральність нейтрона зумовлюється тим, що заряд u-кварка, який входить до складу нейтрона, компенсується зарядами двох d-кварків. У нейтрона є античастинка, яка називається антинейтроном.
Маса нейтрона приблизно дорівнює масі протона 1,6749543•10−27 кг = 1838,5 мас електрона. Це тільки на ~2,5 електронних мас перевищує масу протона. З нейтронів і протонів складаються ядра атомів, в яких нейтрон стабільний. У вільному стані нейтрон нестабільний і радіоактивний. Середній період існування 12,5 хв. Перетворюється на протон+електрон+антинейтрино. Внаслідок відсутності заряду має велику проникність, оскільки під час руху в речовині нейтрон не витрачає енергії на іонізацію, випромінювання тощо. Нейтрони використовуються в активаційному аналізі, нейтронній радіографії, нейтронному гамма-каротажі, нейтронографії та інших методах досліджень.
Властивості
На нейтрон, як і на інші адрони, діють всі чотири фундаментальні фізичні сили:
Нейтрон не має електричного заряду, але взаємодіє з електромагнітним полем завдяки своєму магнітному моменту. Магнітний момент нейтрона дорівнює −1,9130427 0,0000005 ядерних магнетонів.
Розпад вільних нейтронів
Стабільний нейтрон лише в складі ядра. У вільному стані розпадається з періодом напіврозпаду 886 с. Основна реакція розпаду:
- n — нейтрон
- p — протон
- e — електрон
- νe — електронне антинейтрино.
Стабільність нейтрона в складі ядра пояснюється тим, що його перетворення на протон призвело б до значного збільшення енергії кулонівської взаємодії всередині ядра, а цю енергію ядру нізвідки взяти.
Енергія нейтронів
У залежності від енергії виділяють швидкі нейтрони, теплові нейтрони й ультрахолодні нейтрони.
Історія відкриття
Нейтрон відкрив у 1932 році Джеймс Чедвік. У 1935 році він отримав за це відкриття Нобелівську премію. Експерименти, які засвідчували виникнення випромінювання з великою глибиною проникнення в речовину, проводилися й раніше, але це випромінювання намагалися інтерпретувати, як народження гамма-квантів. Чедвіку належить заслуга доказу, що нове випромінювання належить частинці з масою, приблизно рівною масі протона.
Спочатку вважалося, що нейтрон є зв'язаним станом протона й електрона, а ядро атома складається із протонів та електронів, але точніші вимірювання маси частинки показали, що вона більша за сумарну масу протона й електрона, що неможливо при зв'язуванні. Розпад нейтрона на протон і електрон, при якому зайву енергію забирає нейтрино, підтверджує цей висновок. Існували й інші складнощі протонно-електронної моделі. Вона не могла пояснити ціле значення спіну ядра Нітрогену в молекулі азоту, а також відсутність електронного внеску в надтонку структуру. Крім того, електрон надто легка частинка, щоб її можна було локалізувати в об'ємі ядра. Першими довели, що ядро не може складатися з електронів та протонів Амбарцумян Віктор Амазаспович та Дмитро Іваненко, а з середини 1930-их утвердилася протон-нейтронна модель ядра.
Антинейтрон відкрив у 1956 році Брюс Корк[en].
Джерела нейтронів
Нейтрони утворюються у великій кількості в ядерних реакторах під час поділу ядра 235U. Поділ відбувається при захопленні нейтрона ядром, але як наслідок утворюється кілька вільних нейтронів. Цей процес називають розмноженням нейтронів.
Взаємодія з речовиною
Оскільки нейтрони не мають електричного заряду, а магнітна взаємодія слабка, то швидкі нейтрони можуть проникати в речовину на значну глибину. Єдиним типом взаємодії є пряме зіткнення з ядрами речовини, імовірність якого невисока з огляду на малі розміри ядер. Енергія, яку нейтрон втрачає при зіткненні, передаючи його ядру, з яким зіткнувся, залежить від співвідношення мас нейтрона й ядра і тим більша, чим ближчі між собою ці маси. Тому нейтрони краще гальмуються речовинами, в яких багато водню: водою, вуглеводами тощо. Саме речовини із малими масами ядер використовуються для сповільнення нейтронів у ядерних реакторах.
У камерах Вільсона чи бульбашкових камерах нейтрон не залишає треку, проте вибите із атома заряджене ядро залишає трек, тож можна прослідкувати, у якій точці відбулося зіткнення.
Деякі ядра атомів поглинають нейтрони. При поглинанні спочатку один ізотоп хімічного елементу перетворюється в інший, але такі ізотопи часто нестабільні. Наприклад, при поглинанні нейтрона ізотопом урана 235U, новий ізотоп розпадається.
Застосування
Метод розсіювання нейтронів[en] широко використовується для вивчення властивостей кристалічних тіл — фононних спектрів, кристалічного поля тощо.
У напівпровідниковій технології застосовується нейтронна імплантація домішок.
Див. також
Примітки
- V. A. Ambartsumian— a life in science. Astrophysics 51 (3): 280. 2008. Bibcode:2008Ap.....51..280T. doi:10.1007/s10511-008-9016-6.
- 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. Available in Russian on-line.
Джерела
- Булавін Л. А., Тартаковський В. К. Ядерна фізика. — К. : Знання, 2005. — 439 с.
- Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. — М. : Мир, 1979. — 736 с.