Neutron on hadronite klassi kuuluv neutraalne osake. Avastas 1932. aastal inglise füüsik J. Chadwick. Koos prootonitega on neutronid osa aatomituumadest. Neutroni elektrilaeng on null. Seda kinnitavad neutronkiire kõrvalekaldumise laengu otsesed mõõtmised tugevates elektriväljades, mis näitasid, et (siin on elementaarne elektrilaeng, s.o. elektroni laengu absoluutväärtus). Kaudsed andmed annavad hinnangu. Neutroni spin on 1/2. Pooltäisarvulise spinniga hadronina kuulub ta barüonide rühma (vt Prooton). Igal barüonil on antiosake; Antineutron avastati 1956. aastal antiprootonite tuumade hajumise katsetes. Antineutron erineb neutronist barüoni laengu märgi poolest; neutronil, nagu prootonil, on barüonilaeng.
Nagu prooton ja teised hadronid, ei ole ka neutron tõeline elementaarosake: see koosneb ühest elektrilaenguga m-kvargist ja kahest laenguga kvargist, mis on omavahel ühendatud gluooniväljaga (vt elementaarosakesed, kvargid, tugevad vastasmõjud ).
Neutronid on stabiilsed ainult stabiilsetes aatomituumades. Vaba neutron on ebastabiilne osake, mis laguneb prootoniks, elektroniks ja elektroni antineutriinoks (vt Beeta-lagunemine):. Neutroni eluiga on s, st umbes 15 min. Neutronid eksisteerivad aines vabal kujul veelgi vähem tänu tugevale neeldumisele nende tuumades. Seetõttu tekivad need looduses või saadakse laboris ainult tuumareaktsioonide tulemusena.
Erinevate tuumareaktsioonide energiabilansi järgi määratakse neutroni ja prootoni masside vahe väärtus: MeV. Võrreldes seda prootoni massiga, saame neutroni massi: MeV; see vastab r-le või , kus on elektroni mass.
Neutron osaleb kõikvõimalikes fundamentaalsetes vastasmõjudes (vt Loodusjõudude ühtsus). Tugev interaktsioon seob aatomituumades neutroneid ja prootoneid. Siin on juba käsitletud näidet nõrgast interaktsioonist – neutronite beeta-lagunemisest. Kas see neutraalne osake osaleb elektromagnetilistes vastasmõjudes? Neutronil on sisemine struktuur ja üldise neutraalsuse korral on selles elektrivoolud, mis põhjustavad eelkõige magnetmomendi ilmnemist neutronis. Teisisõnu, magnetväljas käitub neutron nagu kompassinõel.
See on vaid üks näide selle elektromagnetilisest interaktsioonist.
Suurt huvi pälvis neutroni elektrilise dipoolmomendi otsimine, mille ülempiir saadi: . Siin õnnestus NSV Liidu Teaduste Akadeemia Leningradi tuumafüüsika instituudi teadlastel teha kõige tõhusamaid katseid. Neutronite dipoolmomendi otsingud on olulised, et mõista invariantsi rikkumise mehhanisme seoses mikroprotsesside ajalise pöördumisega (vt paarsus).
Neutronite gravitatsioonilisi vastastikmõjusid täheldati otse nende Maa gravitatsiooniväljas esinemise põhjal.
Nüüd on kasutusele võetud neutronite tinglik klassifikatsioon nende kineetilise energia järgi: aeglased neutronid eV, neid on palju erinevaid, kiired neutronid (eV), suure energiaga eV). Väga huvitavatel omadustel on väga aeglased neutronid (eV), mida nimetatakse ülikülmateks. Selgus, et ülikülmad neutronid võivad akumuleeruda "magnetlõksudesse" ja isegi nende spinnid võivad olla seal kindlas suunas orienteeritud. Spetsiaalse konfiguratsiooniga magnetvälju kasutades eraldatakse ülikülmad neutronid neelavatest seintest ja võivad "elada" lõksus kuni lagunemiseni. See võimaldab paljudel peentel katsetel neutronite omadusi uurida.
Teine ülikülmade neutronite säilitamise meetod põhineb nende laineomadustel. Madala energia korral on de Broglie lainepikkus (vt kvantmehaanika) nii suur, et neutronid peegelduvad aine tuumadelt, nagu valgus peegeldub peeglist. Selliseid neutroneid saab lihtsalt hoida suletud "pangas". Selle idee pakkus välja Nõukogude füüsik Ya. B. Zel'dovich 1950. aastate lõpus ja esimesed tulemused saadi Dubnas Tuumauuringute Ühisinstituudis peaaegu kümme aastat hiljem. Hiljuti õnnestus Nõukogude teadlastel ehitada anum, milles ülikülmad neutronid elavad kuni nende loomuliku lagunemiseni.
Vabad neutronid on võimelised aktiivselt suhtlema aatomituumadega, põhjustades tuumareaktsioone. Aeglaste neutronite interaktsiooni tulemusena ainega võib täheldada resonantsefekte, difraktsiooni hajumist kristallides jne. Nende omaduste tõttu on neutronid laialdaselt kasutusel tuumafüüsikas ja tahkisfüüsikas. Nad mängivad olulist rolli tuumaenergeetikas, transuraani elementide ja radioaktiivsete isotoopide tootmises ning leiavad praktilist rakendust keemilises analüüsis ja geoloogilises uuringus.
Mis on neutron? See küsimus tekib kõige sagedamini inimestel, kes ei tegele tuumafüüsikaga, kuna selles sisalduva neutroni all mõistetakse elementaarosakest, millel puudub elektrilaeng ja mille mass on 1838,4 korda suurem kui elektroonil. Koos prootoniga, mille mass on veidi väiksem kui neutroni mass, on see aatomituuma "telliskivi". Elementaarosakeste füüsikas peetakse neutronit ja prootonit ühe osakese – nukleoni – kaheks erinevaks vormiks.
Neutron on iga keemilise elemendi aatomituumade koostises, ainsaks erandiks on vesinikuaatom, mille tuum on üks prooton. Mis on neutron, mis struktuur sellel on? Kuigi seda nimetatakse kerneli elementaarseks "telliskiviks", on sellel siiski oma sisemine struktuur. Eelkõige kuulub ta barüonide perekonda ja koosneb kolmest kvargist, millest kaks on down-tüüpi kvargid ja üks up-tüüpi kvargid. Kõigil kvarkidel on murdosa elektrilaeng: ülemine on positiivselt laetud (+2/3 elektroni laengust), alumine aga negatiivselt (-1/3 elektroni laengust). Seetõttu pole neutronil elektrilaengut, sest selle lihtsalt kompenseerivad teda moodustavad kvargid. Kuid neutroni magnetmoment ei ole null.
Neutroni koostises, mille definitsioon oli toodud ülal, on iga kvark ühendatud teistega gluoonvälja abil. Gluoon on osake, mis vastutab tuumajõudude moodustumise eest.
Lisaks massile kilogrammides ja aatommassi ühikutes kirjeldatakse tuumafüüsikas ka osakese massi GeV-des (gigaelektronvoltides). See sai võimalikuks pärast seda, kui Einstein avastas oma kuulsa võrrandi E=mc 2 , mis seob energia massiga. Mis on neutron GeV-s? See on väärtus 0,0009396, mis on veidi suurem kui prootonil (0,0009383).
Neutronite ja aatomituumade stabiilsus
Neutronite olemasolu aatomituumades on väga oluline nende stabiilsuse ning aatomistruktuuri enda ja aine olemasolu võimalikkuse seisukohalt üldiselt. Fakt on see, et prootonitel, mis moodustavad ka aatomituuma, on positiivne laeng. Ja nende lähenemine lähikaugustele nõuab Coulombi elektrilise tõukejõu tõttu tohutute energiate kulutamist. Neutronite ja prootonite vahel mõjuvad tuumajõud on 2-3 suurusjärku tugevamad kui Coulombi omad. Seetõttu suudavad nad hoida positiivselt laetud osakesi lähedal. Tuuma vastastikmõju on lühiajaline ja avaldub ainult tuuma suuruse piires.
Nende arvu leidmiseks tuumas kasutatakse neutronite valemit. See näeb välja selline: neutronite arv = elemendi aatommass - aatomnumber perioodilisuse tabelis.
Vaba neutron on ebastabiilne osake. Selle keskmine eluiga on 15 minutit, pärast mida laguneb see kolmeks osakeseks:
- elektron;
- prooton;
- antineutriino.
Neutroni avastamise eeldused
Neutroni teoreetilise olemasolu füüsikas pakkus juba 1920. aastal välja Ernest Rutherford, kes püüdis sel viisil selgitada, miks aatomituumad ei lagune prootonite elektromagnetilise tõuke tõttu.
Veel varem, 1909. aastal Saksamaal tegid Bothe ja Becker kindlaks, et kui valguselemente, nagu berüllium, boor või liitium, kiiritada polooniumist kõrge energiaga alfaosakestega, siis tekib kiirgus, mis läbib igasuguse paksusega erinevaid materjale. Nad eeldasid, et tegemist on gammakiirgusega, kuid ühelgi sel ajal tuntud kiirgusel ei olnud nii suurt läbitungimisvõimet. Bothe ja Beckeri katseid ei ole õigesti tõlgendatud.
Neutroni avastamine
Neutroni olemasolu avastas inglise füüsik James Chadwick 1932. aastal. Ta uuris berülliumi radioaktiivset kiirgust, viis läbi rea katseid, saades tulemusi, mis ei langenud kokku füüsikaliste valemitega ennustatutega: radioaktiivse kiirguse energia ületas tunduvalt teoreetilisi väärtusi, samuti rikuti impulsi jäävuse seadust. Seetõttu oli vaja nõustuda ühe hüpoteesiga:
- Või nurkimment tuumaprotsessides ei säili.
- Või radioaktiivne kiirgus koosneb osakestest.
Teadlane lükkas tagasi esimese oletuse, kuna see on vastuolus põhiliste füüsikaliste seadustega, seega nõustus ta teise hüpoteesiga. Chadwick näitas, et kiirguse moodustasid tema katsetes nulllaenguga osakesed, millel on tugev läbitungiv jõud. Lisaks suutis ta mõõta nende osakeste massi, tuvastades, et see on veidi suurem kui prootonil.
Aeglased ja kiired neutronid
Sõltuvalt neutroni energiast nimetatakse seda aeglaseks (0,01 MeV suurusjärgus) või kiireks (suurusjärgus 1 MeV). Selline klassifikatsioon on oluline, kuna mõned selle omadused sõltuvad neutroni kiirusest. Eelkõige püüavad tuumad hästi kinni kiired neutronid, mis põhjustab nende isotoopide moodustumist ja lõhustumist. Peaaegu kõigi materjalide tuumad püüavad aeglased neutronid halvasti kinni, mistõttu pääsevad need kergesti läbi paksude ainekihtide.
Neutroni roll uraani tuuma lõhustumisel
Kui küsite endalt, mis on neutron tuumaenergias, siis võime kindlalt öelda, et see on vahend uraani tuuma lõhustumise protsessi esilekutsumiseks, millega kaasneb suure energia vabanemine. See lõhustumisreaktsioon tekitab ka erineva kiirusega neutroneid. Tekkivad neutronid kutsuvad omakorda esile teiste uraanituumade lagunemise ja reaktsioon kulgeb ahel viisil.
Kui uraani lõhustumise reaktsioon on kontrollimatu, põhjustab see reaktsiooni mahu plahvatuse. Seda efekti kasutatakse tuumapommides. Uraani kontrollitud lõhustumisreaktsioon on tuumaelektrijaamade energiaallikas.
Mis on neutron? Mis on selle struktuur, omadused ja funktsioonid? Neutronid on suurimad aatomeid moodustavatest osakestest, mis on kogu aine ehitusplokid.
Aatomi struktuur
Neutronid asuvad tuumas – aatomi tihedas piirkonnas, mis on samuti täidetud prootonitega (positiivselt laetud osakestega). Neid kahte elementi hoiab koos jõud, mida nimetatakse tuumaks. Neutronitel on neutraalne laeng. Prootoni positiivne laeng sobitatakse elektroni negatiivse laenguga, et luua neutraalne aatom. Kuigi tuumas olevad neutronid ei mõjuta aatomi laengut, on neil palju aatomit mõjutavaid omadusi, sealhulgas radioaktiivsuse taset.
Neutronid, isotoobid ja radioaktiivsus
Osake, mis on aatomi tuumas – neutron on prootonist 0,2% suurem. Koos moodustavad nad 99,99% sama elemendi kogumassist ja neil võib olla erinev arv neutroneid. Kui teadlased viitavad aatommassile, peavad nad silmas keskmist aatommassi. Näiteks süsinikul on tavaliselt 6 neutronit ja 6 prootonit aatommassiga 12, kuid mõnikord esineb see ka 13 aatommassiga (6 prootonit ja 7 neutronit). Süsinik aatomnumbriga 14 on samuti olemas, kuid see on haruldane. Seega on süsiniku aatommass keskmiselt 12,011.
Kui aatomites on erinev arv neutroneid, nimetatakse neid isotoopideks. Teadlased on leidnud viise, kuidas neid osakesi tuuma lisada, et luua suuri isotoope. Nüüd ei mõjuta neutronite lisamine aatomi laengut, kuna neil puudub laeng. Need aga suurendavad aatomi radioaktiivsust. Selle tulemuseks võivad olla väga ebastabiilsed aatomid, mis võivad eraldada suurel hulgal energiat.
Mis on tuum?
Keemias on tuum aatomi positiivselt laetud keskpunkt, mis koosneb prootonitest ja neutronitest. Sõna "tuum" pärineb ladinakeelsest tuumast, mis on sõna vorm, mis tähendab "pähklit" või "tuuma". Selle termini võttis 1844. aastal kasutusele Michael Faraday aatomi keskpunkti kirjeldamiseks. Teadusi, mis on seotud tuuma uurimisega, selle koostise ja omaduste uurimisega, nimetatakse tuumafüüsikaks ja tuumakeemiaks.
Prootoneid ja neutroneid hoiab koos tugev tuumajõud. Elektronid tõmbavad tuuma poole, kuid liiguvad nii kiiresti, et nende pöörlemine toimub teatud kaugusel aatomi keskpunktist. Positiivne tuumalaeng pärineb prootonitest, aga mis on neutron? See on osake, millel puudub elektrilaeng. Peaaegu kogu aatomi kaal sisaldub tuumas, kuna prootonitel ja neutronitel on palju suurem mass kui elektronidel. Prootonite arv aatomituumas määrab selle identiteedi elemendina. Neutronite arv näitab, milline elemendi isotoop on aatom.
Aatomituuma suurus
Tuum on palju väiksem kui aatomi üldläbimõõt, kuna elektronid võivad olla tsentrist kaugemal. Vesinikuaatom on 145 000 korda suurem kui tema tuum ja uraani aatom on 23 000 korda suurem kui selle keskpunkt. Vesiniku tuum on väikseim, kuna koosneb ühest prootonist.
Prootonite ja neutronite paiknemine tuumas
Prootoneid ja neutroneid kujutatakse tavaliselt kokku pakitud ja sfääride vahel ühtlaselt jaotununa. See on aga tegeliku struktuuri lihtsustamine. Iga nukleon (prooton või neutron) võib hõivata teatud energiataseme ja asukohavahemiku. Kuigi tuum võib olla sfääriline, võib see olla ka pirnikujuline, kerakujuline või kettakujuline.
Prootonite ja neutronite tuumad on barüonid, mis koosnevad kõige väiksematest, mida nimetatakse kvarkideks. Tõmbejõul on väga lühike ulatus, seega peavad prootonid ja neutronid olema üksteisele väga lähedal, et olla seotud. See tugev külgetõmme ületab laetud prootonite loomuliku tõrjumise.
Prooton, neutron ja elektron
Sellise teaduse nagu tuumafüüsika arengule andis võimsa tõuke neutroni avastamine (1932). Selle eest peaks tänama inglise füüsikut, kes oli Rutherfordi õpilane. Mis on neutron? See on ebastabiilne osake, mis on vabas olekus võimeline vaid 15 minutiga lagunema prootoniks, elektroniks ja neutriinoks ehk nn massita neutraalseks osakeseks.
Osake sai oma nime tänu sellele, et tal puudub elektrilaeng, ta on neutraalne. Neutronid on äärmiselt tihedad. Eraldatud olekus on ühe neutroni mass vaid 1,67·10–27 ja kui võtta teelusikatäis, mis on tihedalt neutroneid täis, kaalub tekkiv ainetükk miljoneid tonne.
Prootonite arvu elemendi tuumas nimetatakse aatomnumbriks. See number annab igale elemendile oma unikaalse identiteedi. Mõne elemendi, näiteks süsiniku aatomites on prootonite arv tuumades alati sama, kuid neutronite arv võib varieeruda. Teatud elemendi aatomit, mille tuumas on teatud arv neutroneid, nimetatakse isotoobiks.
Kas üksikud neutronid on ohtlikud?
Mis on neutron? See on osake, mis koos prootoniga sisaldub, kuid mõnikord võivad nad eksisteerida ka iseseisvalt. Kui neutronid on väljaspool aatomite tuuma, omandavad nad potentsiaalselt ohtlikud omadused. Kui nad liiguvad suurel kiirusel, tekitavad nad surmavat kiirgust. Inimeste ja loomade tapmisvõime poolest tuntud nn neutronpommidel on elututele füüsilistele struktuuridele minimaalne mõju.
Neutronid on aatomi väga oluline osa. Nende osakeste suur tihedus koos kiirusega annab neile erakordse hävitava jõu ja energia. Selle tulemusena võivad nad muuta või isegi lahti rebida tabavate aatomite tuumasid. Kuigi neutronil on neutraalne elektrilaeng, koosneb see laetud komponentidest, mis laengu suhtes üksteist tühistavad.
Aatomis olev neutron on väike osake. Nagu prootonid, on nad isegi elektronmikroskoobiga nägemiseks liiga väikesed, kuid nad on olemas, sest ainult nii saab aatomite käitumist selgitada. Neutronid on aatomi stabiilsuse seisukohalt väga olulised, kuid väljaspool selle aatomikeskust ei saa nad eksisteerida pikka aega ja lagunevad keskmiselt vaid 885 sekundiga (umbes 15 minutiga).
Laadimine...