Neitrons ir neitrāla daļiņa, kas pieder hadronu klasei. 1932. gadā atklāja angļu fiziķis Dž.Čadviks. Kopā ar protoniem neitroni ir daļa no atomu kodoliem. Neitrona elektriskais lādiņš ir nulle. To apstiprina tiešie lādiņa mērījumi ar neitronu stara novirzi spēcīgos elektriskos laukos, kas to parādīja (šeit ir elementārais elektriskais lādiņš, t.i., elektronu lādiņa absolūtā vērtība). Netiešie dati sniedz aprēķinu. Neitrona spins ir 1/2. Kā hadrons ar pusvesela skaitļa griešanos tas pieder pie barionu grupas (skat. Protons). Katram barionam ir antidaļiņa; Antineitronu atklāja 1956. gadā eksperimentos par antiprotonu izkliedi pa kodoliem. Antineutrons no neitrona atšķiras ar tā bariona lādiņa zīmi; Neitronam, tāpat kā protonam, ir bariona lādiņš, kas vienāds ar .
Tāpat kā protons un citi hadroni, arī neitrons nav īsta elementārdaļiņa: tas sastāv no viena m-kvarka ar elektrisko lādiņu un diviem kvarkiem ar lādiņu, kas ir savstarpēji savienoti ar gluona lauku (sk. Elementārās daļiņas, kvarki, spēcīga mijiedarbība ).
Neitroni ir stabili tikai stabilos atomu kodolos. Brīvais neitrons ir nestabila daļiņa, kas sadalās protonā, elektronā un elektronu antineitrīnā (sk. Beta sabrukšana): . Neitronu kalpošanas laiks ir s, t.i., apmēram 15 minūtes. Vielā neitroni brīvā formā pastāv vēl mazāk, jo kodoli tos spēcīgi absorbē. Tāpēc tie rodas dabā vai tiek ražoti laboratorijā tikai kodolreakciju rezultātā.
Pamatojoties uz dažādu kodolreakciju enerģijas bilanci, tika noteikta neitrona un protona masu starpība: MeV. Salīdzinot to ar protona masu, iegūstam neitrona masu: MeV; tas atbilst g vai , kur ir elektrona masa.
Neitrons piedalās visu veidu fundamentālajās mijiedarbībās (sk. Dabas spēku vienotība). Spēcīga mijiedarbība saista neitronus un protonus atomu kodolos. Šeit jau ir aplūkots vājas mijiedarbības piemērs - neitronu beta sabrukšana. Vai šī neitrālā daļiņa piedalās elektromagnētiskajā mijiedarbībā? Neitronam ir iekšēja struktūra, un ar vispārēju neitralitāti tajā ir elektriskās strāvas, kas jo īpaši izraisa magnētiskā momenta parādīšanos neitronā. Citiem vārdiem sakot, magnētiskajā laukā neitrons uzvedas kā kompasa adata.
Šis ir tikai viens tās elektromagnētiskās mijiedarbības piemērs.
Lielu interesi guva neitrona elektriskā dipola momenta meklējumi, kam tika iegūta augšējā robeža: . Šeit visefektīvākos eksperimentus veica PSRS Zinātņu akadēmijas Ļeņingradas Kodolfizikas institūta zinātnieki. Neitronu dipola momenta meklēšana ir svarīga, lai izprastu invariances pārkāpumu mehānismus laika maiņas laikā mikroprocesos (sk. Paritāti).
Neitronu gravitācijas mijiedarbība tika novērota tieši no to sastopamības Zemes gravitācijas laukā.
Tagad ir pieņemta parastā neitronu klasifikācija pēc to kinētiskās enerģijas: lēnie neitroni (eV, to ir daudz veidu), ātrie neitroni (eV), augstas enerģijas neitroni (eV). Ļoti lēniem neitroniem (eV), ko sauc par īpaši aukstiem neitroniem, ir ļoti interesantas īpašības. Izrādījās, ka ultraaukstos neitronus var uzkrāt “magnētiskajos slazdos” un to spinus tur pat var orientēt noteiktā virzienā. Izmantojot īpašas konfigurācijas magnētiskos laukus, īpaši aukstie neitroni tiek izolēti no absorbējošām sienām un var “dzīvot” slazdā, līdz tie sabrūk. Tas ļauj veikt daudzus smalkus eksperimentus, lai izpētītu neitronu īpašības.
Vēl viena ļoti aukstu neitronu uzglabāšanas metode ir balstīta uz to viļņu īpašībām. Pie zemas enerģijas de Broglie viļņa garums (skat. Kvantu mehāniku) ir tik garš, ka neitroni atstarojas no matērijas kodoliem, tāpat kā gaisma atstarojas no spoguļa. Šādus neitronus var vienkārši uzglabāt slēgtā “burkā”. Šo ideju 50. gadu beigās ierosināja padomju fiziķis Ja. B. Zeldovičs, un pirmie rezultāti tika iegūti Dubnā, Apvienotajā kodolpētniecības institūtā, gandrīz desmit gadus vēlāk. Nesen padomju zinātniekiem izdevās uzbūvēt kuģi, kurā ultraaukstie neitroni dzīvo līdz to dabiskajai sabrukšanai.
Brīvie neitroni spēj aktīvi mijiedarboties ar atomu kodoliem, izraisot kodolreakcijas. Lēnu neitronu mijiedarbības ar vielu rezultātā var novērot rezonanses efektus, difrakcijas izkliedi kristālos u.c. Šo īpašību dēļ neitroni tiek plaši izmantoti kodolfizikā un cietvielu fizikā. Tiem ir svarīga loma kodolenerģētikā, transurāna elementu un radioaktīvo izotopu ražošanā, un tiem ir praktisks pielietojums ķīmiskajā analīzē un ģeoloģiskajā izpētē.
Kas ir neitrons? Šis jautājums visbiežāk rodas cilvēkiem, kuri nav saistīti ar kodolfiziku, jo kodolfizikā ar neitronu saprot elementārdaļiņu, kurai nav elektriskā lādiņa un kuras masa ir 1838,4 reizes lielāka nekā elektronam. Kopā ar protonu, kura masa ir nedaudz mazāka par neitrona masu, tas ir atoma kodola “būves bloks”. Daļiņu fizikā neitronu un protonu uzskata par vienas un tās pašas daļiņas – nukleona – divām dažādām formām.
Neitrons atrodas katra ķīmiskā elementa atomu kodolos, vienīgais izņēmums ir ūdeņraža atoms, kura kodols ir viens protons. Kas ir neitrons, kāda tam ir struktūra? Lai gan to sauc par elementāru kodola “celtniecības bloku”, tam joprojām ir sava iekšējā struktūra. Jo īpaši tas pieder pie barionu dzimtas un sastāv no trim kvarkiem, no kuriem divi ir leju kvarki, bet viens ir augšējais kvarks. Visiem kvarkiem ir daļējs elektriskais lādiņš: augšējais ir pozitīvi uzlādēts (+2/3 no elektronu lādiņa), bet apakšējais ir negatīvi (-1/3 no elektronu lādiņa). Tāpēc neitronam nav elektriskā lādiņa, jo to vienkārši kompensē kvarki, kas to veido. Tomēr neitrona magnētiskais moments nav nulle.
Neitrona sastāvā, kura definīcija tika dota iepriekš, katrs kvarks ir savienots ar citiem caur gluona lauku. Gluons ir daļiņa, kas ir atbildīga par kodolspēku veidošanos.
Papildus masai kilogramos un atomu masas vienībās kodolfizikā daļiņas masu apraksta arī GeV (gigaelektronvoltos). Tas kļuva iespējams pēc tam, kad Einšteins atklāja savu slaveno vienādojumu E=mc 2, kas saista enerģiju ar masu. Kas ir neitrons GeV? Šī vērtība ir 0,0009396, kas ir nedaudz lielāka nekā protonam (0,0009383).
Neitronu un atomu kodolu stabilitāte
Neitronu klātbūtne atomu kodolos ir ļoti svarīga to stabilitātei un pašas atoma struktūras un matērijas pastāvēšanas iespējamībai. Fakts ir tāds, ka protoniem, kas arī veido atoma kodolu, ir pozitīvs lādiņš. Un, lai tos apvienotu tuvu attālumiem, Kulona elektriskās atgrūšanās dēļ ir jāpatērē milzīga enerģija. Kodolspēki, kas iedarbojas starp neitroniem un protoniem, ir par 2-3 kārtām spēcīgāki nekā Kulona spēki. Tāpēc tie spēj noturēt pozitīvi lādētas daļiņas tuvākos attālumos. Kodolenerģijas mijiedarbība ir neliela diapazona un izpaužas tikai kodola lieluma ietvaros.
Neitronu formula tiek izmantota, lai atrastu to skaitu kodolā. Tas izskatās šādi: neitronu skaits = elementa atommasa - atomskaitlis periodiskajā tabulā.
Brīvs neitrons ir nestabila daļiņa. Tā vidējais kalpošanas laiks ir 15 minūtes, pēc tam tas sadalās trīs daļiņās:
- elektrons;
- protonu;
- antineitrīno.
Neitrona atklāšanas priekšnoteikumi
Neitrona teorētisko eksistenci fizikā tālajā 1920. gadā ierosināja Ernests Raterfords, kurš tādējādi mēģināja izskaidrot, kāpēc atomu kodoli nesadalās protonu elektromagnētiskās atgrūšanas dēļ.
Jau agrāk, 1909. gadā Vācijā, Bote un Bekers konstatēja, ka, ja gaismas elementus, piemēram, beriliju, boru vai litiju, apstaro ar augstas enerģijas alfa daļiņām no polonija, tad veidojas starojums, kas iziet cauri jebkura biezuma dažādu materiālu materiāliem. Viņi uzskatīja, ka tas ir gamma starojums, taču nevienam tādam tajā laikā zināmam starojumam nebija tik lielas caurlaidības spējas. Bothe un Becker eksperimenti netika pareizi interpretēti.
Neitrona atklāšana
Neitrona esamību atklāja angļu fiziķis Džeimss Čadviks 1932. gadā. Viņš pētīja berilija radioaktīvo starojumu, veica virkni eksperimentu, iegūstot rezultātus, kas nesakrita ar fizikālo formulu prognozētajiem: radioaktīvā starojuma enerģija krietni pārsniedza teorētiskās vērtības, tika pārkāpts arī impulsa nezūdamības likums. Tāpēc bija jāpieņem viena no hipotēzēm:
- Vai arī kodolprocesu laikā leņķiskais impulss netiek saglabāts.
- Vai arī radioaktīvais starojums sastāv no daļiņām.
Zinātnieks noraidīja pirmo pieņēmumu, jo tas ir pretrunā ar fiziskajiem pamatlikumiem, tāpēc viņš pieņēma otro hipotēzi. Čedviks parādīja, ka viņa eksperimentos starojumu veido daļiņas ar nulles lādiņu, kurām ir spēcīga caurlaidības spēja. Turklāt viņš varēja izmērīt šo daļiņu masu, konstatējot, ka tā ir nedaudz lielāka par protonu.
Lēni un ātri neitroni
Atkarībā no neitrona enerģijas to sauc par lēnu (apmēram 0,01 MeV) vai ātru (apmēram 1 MeV). Šī klasifikācija ir svarīga, jo dažas tās īpašības ir atkarīgas no neitrona ātruma. Jo īpaši kodoli labi uztver ātros neitronus, izraisot to izotopu veidošanos un izraisot to skaldīšanu. Lēnus neitronus vāji uztver gandrīz visu materiālu kodoli, tāpēc tie var netraucēti iziet cauri bieziem matērijas slāņiem.
Neitrona loma urāna kodola skaldīšanā
Ja jautājat sev, kas ir neitrons kodolenerģijā, tad mēs varam ar pārliecību teikt, ka tas ir līdzeklis urāna kodola skaldīšanas procesa ierosināšanai, ko papildina lielas enerģijas izdalīšanās. Šīs skaldīšanas reakcijas laikā tiek ražoti arī dažāda ātruma neitroni. Savukārt radītie neitroni izraisa citu urāna kodolu sabrukšanu, un reakcija notiek ķēdes veidā.
Ja urāna skaldīšanas reakcija nav kontrolēta, tas izraisīs reakcijas tilpuma eksploziju. Šo efektu izmanto kodolbumbās. Urāna kontrolētā skaldīšanas reakcija ir enerģijas avots atomelektrostacijās.
Kas ir neitrons? Kāda ir tā struktūra, īpašības un funkcijas? Neitroni ir lielākās daļiņas, kas veido atomus, visu vielu celtniecības bloki.
Atomu struktūra
Neitroni ir atrodami kodolā, blīvā atoma apgabalā, kas arī piepildīts ar protoniem (pozitīvi lādētām daļiņām). Šos divus elementus satur kopā spēks, ko sauc par kodolu. Neitroniem ir neitrāls lādiņš. Protona pozitīvais lādiņš tiek saskaņots ar elektrona negatīvo lādiņu, lai izveidotu neitrālu atomu. Pat ja neitroni kodolā neietekmē atoma lādiņu, tiem joprojām ir daudzas īpašības, kas ietekmē atomu, tostarp radioaktivitātes līmenis.
Neitroni, izotopi un radioaktivitāte
Daļiņa, kas atrodas atoma kodolā, ir neitrons, kas ir par 0,2% lielāks par protonu. Kopā tie veido 99,99% no viena un tā paša elementa kopējās masas, un tiem var būt atšķirīgs neitronu skaits. Kad zinātnieki atsaucas uz atomu masu, viņi domā vidējo atomu masu. Piemēram, ogleklim parasti ir 6 neitroni un 6 protoni ar atomu masu 12, bet dažreiz tas ir atrodams ar atomu masu 13 (6 protoni un 7 neitroni). Ir arī ogleklis ar atomu skaitu 14, taču tas ir reti sastopams. Tātad oglekļa atomu masa ir vidēji 12,011.
Ja atomos ir atšķirīgs neitronu skaits, tos sauc par izotopiem. Zinātnieki ir atraduši veidus, kā šīs daļiņas pievienot kodolam, lai radītu lielākus izotopus. Tagad neitronu pievienošana neietekmē atoma lādiņu, jo tiem nav lādiņa. Tomēr tie palielina atoma radioaktivitāti. Tas var radīt ļoti nestabilus atomus, kas var izlādēt augstu enerģijas līmeni.
Kas ir kodols?
Ķīmijā kodols ir pozitīvi lādēts atoma centrs, kas sastāv no protoniem un neitroniem. Vārds "kodolu" nāk no latīņu kodola, kas ir vārda forma, kas nozīmē "rieksts" vai "kodolis". Šo terminu 1844. gadā ieviesa Maikls Faradejs, lai aprakstītu atoma centru. Zinātnes, kas saistītas ar kodola izpēti, tā sastāva un īpašību izpēti, sauc par kodolfiziku un kodolķīmiju.
Protonus un neitronus satur kopā spēcīgais kodolspēks. Elektroni tiek piesaistīti kodolam, bet pārvietojas tik ātri, ka to rotācija notiek zināmā attālumā no atoma centra. Kodollādiņš ar plus zīmi nāk no protoniem, bet kas ir neitrons? Šī ir daļiņa, kurai nav elektriskā lādiņa. Gandrīz viss atoma svars ir ietverts kodolā, jo protoniem un neitroniem ir daudz lielāka masa nekā elektroniem. Protonu skaits atoma kodolā nosaka tā kā elementa identitāti. Neitronu skaits norāda, kurš elementa izotops ir atoms.
Atomu kodola izmērs
Kodols ir daudz mazāks par atoma kopējo diametru, jo elektroni var atrasties tālāk no centra. Ūdeņraža atoms ir 145 000 reižu lielāks par tā kodolu, un urāna atoms ir 23 000 reižu lielāks par tā centru. Ūdeņraža kodols ir mazākais, jo tas sastāv no viena protona.
Protonu un neitronu izvietojums kodolā
Protons un neitroni parasti tiek attēloti kā iesaiņoti kopā un vienmērīgi sadalīti sfērās. Tomēr tas ir faktiskās struktūras vienkāršojums. Katrs nuklons (protons vai neitrons) var aizņemt noteiktu enerģijas līmeni un vietu diapazonu. Lai gan kodols var būt sfērisks, tas var būt arī bumbierveida, sfērisks vai diska formas.
Protonu un neitronu kodoli ir barioni, kas sastāv no mazākajiem kodoliem, ko sauc par kvarkiem. Pievilcības spēkam ir ļoti mazs diapazons, tāpēc protoniem un neitroniem jābūt ļoti tuvu viens otram, lai tie būtu saistīti. Šī spēcīgā pievilcība pārvar lādētu protonu dabisko atgrūšanu.
Protons, neitrons un elektrons
Spēcīgs stimuls tādas zinātnes kā kodolfizikas attīstībai bija neitrona atklāšana (1932). Mums par to jāpateicas angļu fiziķim, kurš bija Raterforda students. Kas ir neitrons? Šī ir nestabila daļiņa, kas brīvā stāvoklī var sadalīties protonā, elektronā un neitrīno, tā sauktajā bezmasas neitrālajā daļiņā, tikai 15 minūtēs.
Daļiņa iegūst savu nosaukumu, jo tai nav elektriskā lādiņa, tā ir neitrāla. Neitroni ir ārkārtīgi blīvi. Izolētā stāvoklī viena neitrona masa būs tikai 1,67·10–27, un, ja paņemat tējkaroti, kas ir blīvi pildīta ar neitroniem, iegūtais vielas gabals svērs miljoniem tonnu.
Protonu skaitu elementa kodolā sauc par atomskaitli. Šis skaitlis katram elementam piešķir unikālo identitāti. Dažu elementu atomos, piemēram, oglekļa, protonu skaits kodolos vienmēr ir vienāds, bet neitronu skaits var atšķirties. Dotā elementa atomu ar noteiktu neitronu skaitu kodolā sauc par izotopu.
Vai atsevišķi neitroni ir bīstami?
Kas ir neitrons? Šī ir daļiņa, kas kopā ar protonu ir iekļauta Tomēr dažreiz tās var pastāvēt atsevišķi. Kad neitroni atrodas ārpus atomu kodoliem, tie iegūst potenciāli bīstamas īpašības. Kad tie pārvietojas lielā ātrumā, tie rada nāvējošu starojumu. Tā sauktās neitronu bumbas, kas pazīstamas ar spēju nogalināt cilvēkus un dzīvniekus, tomēr tām ir minimāla ietekme uz nedzīvām fiziskām struktūrām.
Neitroni ir ļoti svarīga atoma daļa. Šo daļiņu lielais blīvums apvienojumā ar to ātrumu dod tām ārkārtēju iznīcinošu spēku un enerģiju. Tā rezultātā tie var mainīt vai pat saplēst to atomu kodolus, uz kuriem tie saskaras. Lai gan neitronam ir tīrais neitrāls elektriskais lādiņš, tas sastāv no uzlādētiem komponentiem, kas atceļ viens otru attiecībā uz lādiņu.
Neitrons atomā ir niecīga daļiņa. Tāpat kā protoni, tie ir pārāk mazi, lai tos varētu redzēt pat ar elektronu mikroskopu, taču tie ir tur, jo tas ir vienīgais veids, kā izskaidrot atomu uzvedību. Neitroni ir ļoti svarīgi atoma stabilitātei, taču ārpus tā atoma centra tie nevar pastāvēt ilgi un sadalās vidēji tikai 885 sekundēs (apmēram 15 minūtēs).
Notiek ielāde...