النيوترون هو جسيم محايد ينتمي إلى فئة الهادرونات. اكتشفه الفيزيائي الإنجليزي جيه تشادويك عام 1932. تشكل النيوترونات مع البروتونات جزءًا من نوى الذرة. الشحنة الكهربائية للنيوترون هي صفر. يتم تأكيد ذلك من خلال القياسات المباشرة للشحنة من انحراف شعاع النيوترون في المجالات الكهربائية القوية ، والتي أظهرت أن (هنا الشحنة الكهربائية الأولية ، أي القيمة المطلقة لشحنة الإلكترون). تعطي البيانات غير المباشرة تقديراً. دوران النيوترون هو 1/2. بصفته هادرون ذو دوران نصف عدد صحيح ، فهو ينتمي إلى مجموعة الباريونات (انظر بروتون). كل باريون له جسيم مضاد. تم اكتشاف مضادات النيوترون في عام 1956 في تجارب على تشتت البروتونات المضادة بواسطة النوى. يختلف مضاد النيوترون عن النيوترون في علامة شحنة الباريون ؛ يحتوي النيوترون ، مثل البروتون ، على شحنة باريون.
مثل البروتون والهادرونات الأخرى ، فإن النيوترون ليس جسيمًا أوليًا حقيقيًا: فهو يتكون من كوارك م واحد بشحنة كهربائية واثنان كواركان بشحنة - مترابطان بواسطة مجال غلوون (انظر الجسيمات الأولية ، كواركات ، تفاعلات قوية ).
تكون النيوترونات مستقرة فقط في نوى ذرية مستقرة. النيوترون الحر هو جسيم غير مستقر يتحلل إلى بروتون وإلكترون وإلكترون مضاد نيترينو (انظر اضمحلال بيتا) :. عمر النيوترون هو s ، أي حوالي 15 دقيقة. توجد النيوترونات في شكل حر في المادة بدرجة أقل بسبب الامتصاص القوي من قبل نواتها. لذلك ، فهي تنشأ في الطبيعة أو يتم الحصول عليها في المختبر فقط نتيجة للتفاعلات النووية.
وفقًا لميزان الطاقة للتفاعلات النووية المختلفة ، يتم تحديد قيمة الفرق بين كتلة النيوترون والبروتون: MeV. بمقارنتها بكتلة البروتون نحصل على كتلة النيوترون: MeV؛ هذا يتوافق مع r ، أو أين توجد كتلة الإلكترون.
يشارك النيوترون في جميع أنواع التفاعلات الأساسية (انظر وحدة قوى الطبيعة). التفاعلات القوية تربط النيوترونات والبروتونات في نوى الذرة. تم النظر هنا بالفعل في مثال على تفاعل ضعيف - اضمحلال بيتا النيوتروني. هل هذا الجسيم المحايد يشارك في التفاعلات الكهرومغناطيسية؟ للنيوترون بنية داخلية ، وفي حالة الحياد العام توجد تيارات كهربائية تؤدي ، على وجه الخصوص ، إلى ظهور لحظة مغناطيسية في النيوترون. بمعنى آخر ، في المجال المغناطيسي ، يتصرف النيوترون مثل إبرة البوصلة.
هذا مجرد مثال واحد على تفاعلها الكهرومغناطيسي.
اكتسب البحث عن عزم ثنائي القطب الكهربائي للنيوترون اهتمامًا كبيرًا ، حيث تم الحصول على الحد الأعلى:. هنا تمكن علماء معهد لينينغراد للفيزياء النووية التابع لأكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية من إجراء التجارب الأكثر فعالية. تعتبر عمليات البحث عن العزم ثنائي القطب للنيوترونات مهمة لفهم آليات انتهاك الثبات فيما يتعلق بانعكاس الوقت في العمليات الدقيقة (انظر التكافؤ).
لوحظت تفاعلات الجاذبية للنيوترونات مباشرة من وقوعها في مجال الجاذبية الأرضية.
الآن تم اعتماد التصنيف الشرطي للنيوترونات وفقًا لطاقتها الحركية: النيوترونات البطيئة eV ، وهناك أنواع عديدة منها) ، النيوترونات السريعة (eV) ، eV عالية الطاقة). خصائص مثيرة للاهتمام لها نيوترونات بطيئة جدًا (eV) ، تسمى ultracold. اتضح أن النيوترونات شديدة البرودة يمكن أن تتراكم في "مصائد مغناطيسية" وحتى يمكن توجيه دورانها هناك في اتجاه معين. باستخدام الحقول المغناطيسية ذات التكوين الخاص ، يتم عزل النيوترونات فائقة البرودة عن الجدران الممتصة ويمكن أن "تعيش" في مصيدة حتى تتحلل. يسمح هذا بالعديد من التجارب الدقيقة لدراسة خصائص النيوترونات.
تعتمد طريقة أخرى لتخزين النيوترونات فائقة البرودة على خصائصها الموجية. عند الطاقة المنخفضة ، يكون الطول الموجي لـ De Broglie (انظر ميكانيكا الكم) كبيرًا جدًا بحيث تنعكس النيوترونات من نوى المادة ، تمامًا كما ينعكس الضوء من المرآة. يمكن ببساطة تخزين هذه النيوترونات في "بنك" مغلق. تم طرح هذه الفكرة من قبل الفيزيائي السوفيتي يا ب. زيلدوفيتش في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي ، وتم الحصول على النتائج الأولى في دوبنا في المعهد المشترك للأبحاث النووية بعد عقد تقريبًا. في الآونة الأخيرة ، تمكن العلماء السوفييت من بناء وعاء تعيش فيه النيوترونات شديدة البرودة حتى تسوسها الطبيعي.
النيوترونات الحرة قادرة على التفاعل بنشاط مع النوى الذرية ، مما يسبب تفاعلات نووية. نتيجة لتفاعل النيوترونات البطيئة مع المادة ، يمكن ملاحظة تأثيرات الرنين ، وتشتت الحيود في البلورات ، وما إلى ذلك.وبسبب هذه الميزات ، تُستخدم النيوترونات على نطاق واسع في الفيزياء النووية وفيزياء الحالة الصلبة. يلعبون دورًا مهمًا في هندسة الطاقة النووية ، في إنتاج عناصر عبر اليورانيوم والنظائر المشعة ، ويجدون تطبيقات عملية في التحليل الكيميائي والاستكشاف الجيولوجي.
ما هو النيوترون؟ غالبًا ما يُطرح هذا السؤال بين الأشخاص الذين لا يشاركون في الفيزياء النووية ، لأن النيوترون الموجود فيه يُفهم على أنه جسيم أولي ليس له شحنة كهربائية وله كتلة أكبر بمقدار 1838.4 مرة من الإلكترونية. جنبا إلى جنب مع البروتون ، الذي تكون كتلته أقل بقليل من كتلة النيوترون ، فهو "لبنة" النواة الذرية. في فيزياء الجسيمات الأولية ، يعتبر النيوترون والبروتون شكلين مختلفين لجسيم واحد - النوكليون.
يوجد النيوترون في تكوين نوى الذرات لكل عنصر كيميائي ، والاستثناء الوحيد هو ذرة الهيدروجين ، ونواةها عبارة عن بروتون واحد. ما هو النيوترون ، ما هيكله؟ على الرغم من أنه يطلق عليه اسم "لبنة" النواة الأولية ، إلا أنه لا يزال له هيكله الداخلي الخاص. على وجه الخصوص ، تنتمي إلى عائلة الباريونات وتتكون من ثلاثة كواركات ، اثنان منها من النوع السفلي ، وواحد من النوع العلوي. تحتوي جميع الكواركات على شحنة كهربائية جزئية: الجزء العلوي مشحون إيجابيًا (+2/3 من شحنة الإلكترون) ، والكواركات السالبة الشحنة (-1/3 من شحنة الإلكترون). هذا هو السبب في أن النيوترون ليس له شحنة كهربائية ، لأنه يتم تعويضه ببساطة بواسطة الكواركات التي يتكون منها. ومع ذلك ، فإن العزم المغناطيسي للنيوترون ليس صفراً.
في تكوين النيوترون ، الذي ورد تعريفه أعلاه ، يرتبط كل كوارك بالآخرين بمساعدة مجال غلوون. الغلوون هو الجسيم المسؤول عن تكوين القوى النووية.
بالإضافة إلى الكتلة بالكيلوجرام ووحدات الكتلة الذرية ، في الفيزياء النووية ، يتم وصف كتلة الجسيم أيضًا في GeV (جيجا إلكترون فولت). أصبح هذا ممكنًا بعد اكتشاف أينشتاين لمعادلته الشهيرة E = mc 2 ، والتي تربط الطاقة بالكتلة. ما هو النيوترون في GeV؟ هذه القيمة تساوي 0.0009396 ، وهي أكبر قليلاً من قيمة البروتون (0.0009383).
استقرار نواة النيوترون والذرة
إن وجود النيوترونات في النوى الذرية مهم جدًا لاستقرارها وإمكانية وجود التركيب الذري نفسه والمادة بشكل عام. الحقيقة هي أن البروتونات ، التي تشكل أيضًا النواة الذرية ، لها شحنة موجبة. واقترابهم من مسافات قريبة يتطلب إنفاق طاقات ضخمة بسبب التنافر الكهربائي كولوم. القوى النووية التي تعمل بين النيوترونات والبروتونات أقوى بمقدار 2-3 مرات من قوة كولوم. لذلك ، فهي قادرة على الاحتفاظ بالجسيمات المشحونة إيجابياً على مسافات قريبة. التفاعلات النووية قصيرة المدى ولا تظهر إلا في حجم النواة.
تُستخدم صيغة النيوترون لإيجاد عددهم في النواة. يبدو كالتالي: عدد النيوترونات = الكتلة الذرية للعنصر - العدد الذري في الجدول الدوري.
النيوترون الحر هو جسيم غير مستقر. يبلغ متوسط عمرها 15 دقيقة ، وبعد ذلك يتحلل إلى ثلاث جسيمات:
- الإلكترون.
- بروتون.
- أنتينيوترينو.
شروط اكتشاف النيوترون
تم اقتراح الوجود النظري للنيوترون في الفيزياء في عام 1920 من قبل إرنست رذرفورد ، الذي حاول أن يشرح بهذه الطريقة لماذا لا تنهار النوى الذرية بسبب التنافر الكهرومغناطيسي للبروتونات.
حتى قبل ذلك ، في عام 1909 في ألمانيا ، أثبت بوث وبيكر أنه إذا تم تشعيع العناصر الخفيفة ، مثل البريليوم أو البورون أو الليثيوم ، بجزيئات ألفا عالية الطاقة من البولونيوم ، فإن الإشعاع يتشكل الذي يمر عبر أي سمك من مواد مختلفة. لقد افترضوا أن هذا هو إشعاع غاما ، لكن لم يكن مثل هذا الإشعاع المعروف في ذلك الوقت لديه قوة اختراق كبيرة. لم يتم تفسير تجارب بوث وبيكر بشكل صحيح.
اكتشاف النيوترون
اكتشف الفيزيائي الإنجليزي جيمس تشادويك وجود النيوترون في عام 1932. درس الإشعاع المشع للبريليوم ، وأجرى سلسلة من التجارب ، وحصل على نتائج لا تتطابق مع تلك التي تنبأت بها الصيغ الفيزيائية: طاقة الإشعاع المشع تجاوزت القيم النظرية ، وتم انتهاك قانون حفظ الزخم أيضًا. لذلك كان من الضروري قبول إحدى الفرضيات:
- أو لا يتم حفظ الزخم الزاوي في العمليات النووية.
- أو يتكون الإشعاع المشع من جزيئات.
رفض العالم الافتراض الأول لأنه يتعارض مع القوانين الفيزيائية الأساسية فقبل الفرضية الثانية. أظهر تشادويك أن الإشعاع في تجاربه يتكون من جسيمات خالية من الشحنة ، ولها قوة اختراق قوية. بالإضافة إلى ذلك ، كان قادرًا على قياس كتلة هذه الجسيمات ، وإثبات أنها أكبر بقليل من كتلة البروتون.
نيوترونات بطيئة وسريعة
اعتمادًا على الطاقة التي يمتلكها النيوترون ، يطلق عليه اسم بطيء (بترتيب 0.01 ميغا إلكترون فولت) أو سريعًا (بترتيب 1 إلكترون فولت). هذا التصنيف مهم لأن بعض خصائصه تعتمد على سرعة النيوترون. على وجه الخصوص ، تلتقط النوى النيوترونات السريعة جيدًا ، مما يؤدي إلى تكوين نظائرها ، والتسبب في انشطارها. يتم التقاط النيوترونات البطيئة بشكل سيئ بواسطة نوى جميع المواد تقريبًا ، لذلك يمكنها المرور بسهولة عبر طبقات سميكة من المادة.
دور النيوترون في انشطار نواة اليورانيوم
إذا سألت نفسك ما هو النيوترون في الطاقة النووية ، فيمكننا القول بثقة أن هذه وسيلة لتحفيز عملية انشطار نواة اليورانيوم ، مصحوبة بإطلاق طاقة كبيرة. ينتج تفاعل الانشطار هذا أيضًا نيوترونات بسرعات مختلفة. بدورها ، تحفز النيوترونات المتولدة على تحلل نوى اليورانيوم الأخرى ، ويستمر التفاعل بطريقة متسلسلة.
إذا كان تفاعل انشطار اليورانيوم غير متحكم فيه ، فسيؤدي ذلك إلى انفجار حجم التفاعل. يستخدم هذا التأثير في القنابل النووية. التفاعل الانشطاري المتحكم فيه لليورانيوم هو مصدر الطاقة في محطات الطاقة النووية.
ما هو النيوترون؟ ما هي هيكلها وخصائصها ووظائفها؟ النيوترونات هي أكبر الجسيمات التي تتكون منها الذرات ، وهي اللبنات الأساسية لكل مادة.
هيكل الذرة
تقع النيوترونات في النواة - وهي منطقة كثيفة من الذرة ، مليئة أيضًا بالبروتونات (جزيئات موجبة الشحنة). يتم ربط هذين العنصرين معًا بقوة تسمى القوة النووية. النيوترونات لها شحنة متعادلة. تتوافق الشحنة الموجبة للبروتون مع الشحنة السالبة للإلكترون لتكوين ذرة محايدة. على الرغم من أن النيوترونات في النواة لا تؤثر على شحنة الذرة ، إلا أنها تمتلك العديد من الخصائص التي تؤثر على الذرة ، بما في ذلك مستوى النشاط الإشعاعي.
النيوترونات والنظائر والنشاط الإشعاعي
الجسيم الموجود في نواة الذرة - النيوترون أكبر بنسبة 0.2٪ من البروتون. يشكلان معًا 99.99٪ من الكتلة الكلية لنفس العنصر ويمكن أن يكون لهما عدد مختلف من النيوترونات. عندما يشير العلماء إلى الكتلة الذرية ، فإنهم يقصدون متوسط الكتلة الذرية. على سبيل المثال ، يحتوي الكربون عادةً على 6 نيوترونات و 6 بروتونات بكتلة ذرية تساوي 12 ، ولكنه يحدث أحيانًا بكتلة ذرية 13 (6 بروتونات و 7 نيوترونات). يوجد أيضًا الكربون برقم ذري 14 ، ولكنه نادر. لذا فإن متوسط الكتلة الذرية للكربون يصل إلى 12.011.
عندما تحتوي الذرات على أعداد مختلفة من النيوترونات ، فإنها تسمى نظائر. وجد العلماء طرقًا لإضافة هذه الجسيمات إلى النواة لتكوين نظائر كبيرة. الآن إضافة النيوترونات لا يؤثر على شحنة الذرة ، لأنها لا تحتوي على شحنة. ومع ذلك ، فإنها تزيد من النشاط الإشعاعي للذرة. يمكن أن يؤدي هذا إلى ذرات غير مستقرة للغاية يمكنها تفريغ مستويات عالية من الطاقة.
ما هو النواة؟
النواة في الكيمياء هي المركز الموجب الشحنة للذرة ، والتي تتكون من البروتونات والنيوترونات. كلمة "جوهر" تأتي من نواة لاتينية ، وهي شكل من أشكال الكلمة التي تعني "جوز" أو "جوهر". صاغ مايكل فاراداي هذا المصطلح في عام 1844 لوصف مركز الذرة. تسمى العلوم المشاركة في دراسة النواة ودراسة تكوينها وخصائصها الفيزياء النووية والكيمياء النووية.
ترتبط البروتونات والنيوترونات ببعضها البعض بواسطة القوة النووية الشديدة. تنجذب الإلكترونات إلى النواة ، لكنها تتحرك بسرعة كبيرة بحيث يتم دورانها على مسافة ما من مركز الذرة. تأتي الشحنة النووية الموجبة من البروتونات ، لكن ما هو النيوترون؟ إنه جسيم ليس له شحنة كهربائية. يتم احتواء كل وزن الذرة تقريبًا في النواة ، نظرًا لأن البروتونات والنيوترونات لها كتلة أكبر بكثير من الإلكترونات. يحدد عدد البروتونات في النواة الذرية هويتها كعنصر. يشير عدد النيوترونات إلى نظير عنصر ما هو ذرة.
حجم النواة الذرية
النواة أصغر بكثير من القطر الكلي للذرة لأن الإلكترونات يمكن أن تكون بعيدة عن المركز. ذرة الهيدروجين أكبر بـ 145000 مرة من نواتها ، وذرة اليورانيوم أكبر بـ 23000 مرة من مركزها. نواة الهيدروجين هي الأصغر لأنها تتكون من بروتون واحد.
موقع البروتونات والنيوترونات في النواة
عادة ما يتم تصوير البروتون والنيوترونات على أنها معبأة معًا وموزعة بشكل موحد على الكرات. ومع ذلك ، هذا هو تبسيط للهيكل الفعلي. يمكن لكل نواة (بروتون أو نيوترون) أن تشغل مستوى معينًا من الطاقة ونطاقًا من المواقع. في حين أن النواة قد تكون كروية ، فقد تكون أيضًا على شكل كمثرى أو كروي أو قرصي الشكل.
نوى البروتونات والنيوترونات هي باريونات تتكون من أصغرها ، تسمى كواركات. للقوة الجذابة مدى قصير جدًا ، لذلك يجب أن تكون البروتونات والنيوترونات قريبة جدًا من بعضها البعض حتى يتم تقييدها. يتغلب هذا الجذب القوي على التنافر الطبيعي للبروتونات المشحونة.
البروتون والنيوترون والإلكترون
كان الدافع القوي لتطوير علم مثل الفيزياء النووية هو اكتشاف النيوترون (1932). شكرا لهذا يجب أن يكون فيزيائيًا إنجليزيًا كان طالبًا في رذرفورد. ما هو النيوترون؟ هذا جسيم غير مستقر ، يكون في حالة حرة خلال 15 دقيقة فقط قادرًا على التحلل إلى بروتون وإلكترون ونيوترينو ، وهو ما يسمى بالجسيم المحايد عديم الكتلة.
حصل الجسيم على اسمه بسبب حقيقة أنه لا يحتوي على شحنة كهربائية ، فهو محايد. النيوترونات كثيفة للغاية. في حالة منعزلة ، سيكون لنيوترون واحد كتلة فقط 1.67 · 10 - 27 ، وإذا أخذت ملعقة صغيرة معبأة بكثافة بالنيوترونات ، فإن القطعة الناتجة ستزن ملايين الأطنان.
يسمى عدد البروتونات في نواة العنصر بالرقم الذري. يعطي هذا الرقم كل عنصر هويته الفريدة. في ذرات بعض العناصر ، مثل الكربون ، يكون عدد البروتونات في النوى هو نفسه دائمًا ، ولكن قد يختلف عدد النيوترونات. تسمى ذرة عنصر معين مع عدد معين من النيوترونات في النواة نظيرًا.
هل النيوترونات المفردة خطرة؟
ما هو النيوترون؟ هذا هو الجسيم الذي تم تضمينه مع البروتون ، ومع ذلك ، في بعض الأحيان يمكن أن توجد بمفردها. عندما تكون النيوترونات خارج نوى الذرات ، فإنها تكتسب خصائص يحتمل أن تكون خطرة. عندما تتحرك بسرعة عالية ، فإنها تنتج إشعاعات قاتلة. تشتهر القنابل النيوترونية بقدرتها على قتل البشر والحيوانات ، ولها تأثير ضئيل على الهياكل المادية غير الحية.
تعتبر النيوترونات جزءًا مهمًا جدًا من الذرة. تمنح الكثافة العالية لهذه الجسيمات ، جنبًا إلى جنب مع سرعتها ، قوة وطاقة تدميرية غير عادية. نتيجة لذلك ، يمكنهم تغيير أو حتى تمزيق نوى الذرات التي تصطدم. على الرغم من أن النيوترون له شحنة كهربائية محايدة صافية ، إلا أنه يتكون من مكونات مشحونة تلغي بعضها البعض فيما يتعلق بالشحنة.
النيوترون في الذرة هو جسيم صغير. مثل البروتونات ، فهي أصغر من أن تُرى حتى بالمجهر الإلكتروني ، لكنها موجودة لأن هذه هي الطريقة الوحيدة لشرح سلوك الذرات. تعتبر النيوترونات مهمة جدًا لاستقرار الذرة ، ولكن خارج مركزها الذري لا يمكن أن توجد لفترة طويلة وتتحلل في المتوسط في 885 ثانية فقط (حوالي 15 دقيقة).
جار التحميل...