Neutronul este o particulă neutră aparținând clasei hadronilor. Descoperit în 1932 de către fizicianul englez J. Chadwick. Împreună cu protonii, neutronii fac parte din nucleele atomice. Sarcina electrică a neutronului este zero. Acest lucru este confirmat de măsurători directe ale sarcinii de la deviația fasciculului de neutroni în câmpuri electrice puternice, care au arătat că (aici este sarcina electrică elementară, adică valoarea absolută a sarcinii electronilor). Datele indirecte oferă o estimare. Spinul neutronilor este 1/2. Ca hadron cu un spin pe jumătate întreg, aparține grupului de barioni (vezi Proton). Fiecare barion are o antiparticulă; Antineutronul a fost descoperit în 1956 în experimente privind împrăștierea antiprotonilor de către nuclee. Antineutronul diferă de neutron prin semnul sarcinii barionului; un neutron, ca un proton, are o sarcină barionică.
La fel ca protonul și alți hadroni, neutronul nu este o adevărată particulă elementară: este format dintr-un m-quark cu sarcină electrică și doi -cuarci cu sarcină - , interconectați printr-un câmp de gluoni (vezi Particule elementare, Quarci, Interacțiuni puternice). ).
Neutronii sunt stabili doar în nucleele atomice stabile. Un neutron liber este o particulă instabilă care se descompune într-un proton, un electron și un electron antineutrin (vezi dezintegrarea Beta): Durata de viață a unui neutron este s, adică aproximativ 15 minute. Neutronii există în formă liberă în materie și mai puțin datorită absorbției puternice de către nucleele lor. Prin urmare, ele apar în natură sau sunt obținute în laborator doar ca urmare a reacțiilor nucleare.
Conform bilanțului energetic al diferitelor reacții nucleare se determină valoarea diferenței dintre masele unui neutron și ale unui proton: MeV. Comparând-o cu masa protonului, obținem masa neutronului: MeV; aceasta corespunde cu r sau , unde este masa electronului.
Neutronul participă la tot felul de interacțiuni fundamentale (vezi Unitatea forțelor naturii). Interacțiunile puternice leagă neutronii și protonii în nucleele atomice. Un exemplu de interacțiune slabă - dezintegrarea beta a neutronilor - a fost deja luat în considerare aici. Participa această particulă neutră la interacțiuni electromagnetice? Neutronul are o structură internă, iar în cazul neutralității generale există curenți electrici în el, ducând, în special, la apariția unui moment magnetic în neutron. Cu alte cuvinte, într-un câmp magnetic, un neutron se comportă ca un ac de busolă.
Acesta este doar un exemplu al interacțiunii sale electromagnetice.
Căutarea momentului dipol electric al neutronului a căpătat un mare interes, pentru care s-a obţinut limita superioară: . Aici oamenii de știință de la Institutul de Fizică Nucleară Leningrad al Academiei de Științe a URSS au reușit să efectueze cele mai eficiente experimente. Căutările pentru momentul dipol al neutronilor sunt importante pentru înțelegerea mecanismelor de încălcare a invarianței în raport cu inversarea timpului în microprocese (vezi paritatea).
Interacțiunile gravitaționale ale neutronilor au fost observate direct din incidența lor în câmpul gravitațional al Pământului.
Acum a fost acceptată o clasificare condiționată a neutronilor în funcție de energia lor cinetică: neutroni lenți eV, există multe varietăți ale acestora), neutroni rapizi (eV), eV de înaltă energie). Proprietăți foarte interesante au neutroni foarte lenți (eV), numiți ultrareci. S-a dovedit că neutronii ultrareci pot fi acumulați în „capcane magnetice” și chiar și spinările lor pot fi orientate acolo într-o anumită direcție. Folosind câmpuri magnetice cu o configurație specială, neutronii ultrareci sunt izolați de pereții absorbanți și pot „trăi” într-o capcană până când se degradează. Acest lucru permite numeroase experimente subtile pentru a studia proprietățile neutronilor.
O altă metodă de stocare a neutronilor ultrareci se bazează pe proprietățile undelor acestora. La energie scăzută, lungimea de undă de Broglie (vezi Mecanica cuantică) este atât de mare încât neutronii sunt reflectați din nucleele materiei, la fel cum lumina este reflectată dintr-o oglindă. Astfel de neutroni pot fi pur și simplu stocați într-o „bancă” închisă. Această idee a fost prezentată de fizicianul sovietic Ya. B. Zel'dovich la sfârșitul anilor 1950, iar primele rezultate au fost obținute la Dubna, la Institutul Comun de Cercetare Nucleară, aproape un deceniu mai târziu. Recent, oamenii de știință sovietici au reușit să construiască un vas în care trăiesc neutronii ultrareci până la degradarea lor naturală.
Neutronii liberi sunt capabili să interacționeze activ cu nucleele atomice, provocând reacții nucleare. Ca urmare a interacțiunii neutronilor lenți cu materia, se pot observa efecte de rezonanță, împrăștiere prin difracție în cristale etc.. Datorită acestor caracteristici, neutronii sunt folosiți pe scară largă în fizica nucleară și în fizica stării solide. Aceștia joacă un rol important în ingineria nucleară, în producția de elemente transuraniu și izotopi radioactivi și găsesc aplicații practice în analiza chimică și explorarea geologică.
Ce este un neutron? Această întrebare apare cel mai adesea în rândul persoanelor care nu sunt implicate în fizica nucleară, deoarece neutronul din el este înțeles ca o particulă elementară care nu are sarcină electrică și are o masă de 1838,4 ori mai mare decât cea electronică. Împreună cu protonul, a cărui masă este puțin mai mică decât masa neutronului, este „cărămida” nucleului atomic. În fizica particulelor elementare, neutronul și protonul sunt considerate a fi două forme diferite ale unei particule - nucleonul.
Neutronul este prezent în compoziția nucleelor de atomi pentru fiecare element chimic, singura excepție este atomul de hidrogen, al cărui nucleu este un proton. Ce este un neutron, ce structură are? Deși este numită „cărămidă” elementară a nucleului, are totuși propria sa structură internă. În special, aparține familiei de barioni și constă din trei quarci, dintre care doi sunt quarci de tip down și unul de tip up. Toți quarcii au o sarcină electrică fracțională: cel de sus este încărcat pozitiv (+2/3 din sarcina electronilor), iar cel de jos este încărcat negativ (-1/3 din sarcina electronului). De aceea neutronul nu are sarcină electrică, deoarece este pur și simplu compensat de quarcii care îl compun. Cu toate acestea, momentul magnetic al neutronului nu este zero.
În compoziția neutronului, a cărui definiție a fost dată mai sus, fiecare quarc este conectat cu ceilalți cu ajutorul unui câmp de gluoni. Gluonul este particula responsabilă de formarea forțelor nucleare.
Pe lângă masa în kilograme și unitățile de masă atomică, în fizica nucleară, masa unei particule este descrisă și în GeV (gigaelectronvolți). Acest lucru a devenit posibil după descoperirea de către Einstein a celebrei sale ecuații E=mc 2 , care leagă energia cu masă. Ce este un neutron în GeV? Aceasta este o valoare de 0,0009396, care este puțin mai mare decât cea a protonului (0,0009383).
Stabilitatea neutronilor și a nucleelor atomice
Prezența neutronilor în nucleele atomice este foarte importantă pentru stabilitatea acestora și pentru posibilitatea existenței structurii atomice în sine și a materiei în general. Cert este că protonii, care alcătuiesc și nucleul atomic, au o sarcină pozitivă. Iar abordarea lor la distanțe apropiate necesită cheltuirea unor energii uriașe din cauza repulsiei electrice Coulomb. Forțele nucleare care acționează între neutroni și protoni sunt cu 2-3 ordine de mărime mai puternice decât cele coulomb. Prin urmare, ele sunt capabile să păstreze particulele încărcate pozitiv la distanțe apropiate. Interacțiunile nucleare sunt pe rază scurtă și se manifestă numai în dimensiunea nucleului.
Formula neutronilor este folosită pentru a găsi numărul lor în nucleu. Arata astfel: numarul de neutroni = masa atomica a elementului - numarul atomic din tabelul periodic.
Un neutron liber este o particulă instabilă. Durata sa medie de viață este de 15 minute, după care se descompune în trei particule:
- electron;
- proton;
- antineutrino.
Condiții preliminare pentru descoperirea neutronului
Existența teoretică a neutronului în fizică a fost propusă încă din 1920 de Ernest Rutherford, care a încercat să explice în acest fel de ce nucleele atomice nu se destramă din cauza repulsiei electromagnetice a protonilor.
Chiar mai devreme, în 1909, în Germania, Bothe și Becker au stabilit că dacă elementele ușoare, precum beriliul, borul sau litiul, sunt iradiate cu particule alfa de înaltă energie din poloniu, atunci se formează radiații care traversează orice grosime a diferitelor materiale. Ei au presupus că era radiație gamma, dar nicio astfel de radiație cunoscută la acea vreme nu avea o putere de penetrare atât de mare. Experimentele lui Bothe și Becker nu au fost interpretate corect.
Descoperirea neutronului
Existența neutronului a fost descoperită de fizicianul englez James Chadwick în 1932. El a studiat radiația radioactivă a beriliului, a efectuat o serie de experimente, obținând rezultate care nu coincid cu cele prezise de formulele fizice: energia radiațiilor radioactive a depășit cu mult valorile teoretice și a fost încălcată și legea conservării impulsului. Prin urmare, a fost necesar să acceptăm una dintre ipoteze:
- Sau momentul unghiular nu este conservat în procesele nucleare.
- Sau radiația radioactivă este formată din particule.
Omul de știință a respins prima ipoteză, deoarece contrazice legile fizice fundamentale, așa că a acceptat a doua ipoteză. Chadwick a arătat că radiația din experimentele sale a fost formată din particule cu sarcină zero, care au o putere de penetrare puternică. În plus, el a putut măsura masa acestor particule, stabilind că aceasta este puțin mai mare decât cea a unui proton.
Neutroni lenți și rapidi
În funcție de energia pe care o are un neutron, acesta se numește lent (de ordinul a 0,01 MeV) sau rapid (de ordinul a 1 MeV). O astfel de clasificare este importantă, deoarece unele dintre proprietățile sale depind de viteza neutronului. În special, neutronii rapizi sunt bine capturați de nuclee, ducând la formarea izotopilor lor și provocând fisiunea lor. Neutronii lenți sunt slab capturați de nucleele aproape tuturor materialelor, astfel încât pot trece cu ușurință prin straturi groase de materie.
Rolul neutronului în fisiunea nucleului de uraniu
Dacă vă întrebați ce este un neutron în energia nucleară, atunci putem spune cu încredere că acesta este un mijloc de inducere a procesului de fisiune a nucleului de uraniu, însoțit de eliberarea de energie mare. Această reacție de fisiune produce și neutroni cu viteze diferite. La rândul lor, neutronii generați induc degradarea altor nuclee de uraniu, iar reacția decurge în lanț.
Dacă reacția de fisiune a uraniului este necontrolată, atunci aceasta va duce la o explozie a volumului de reacție. Acest efect este folosit în bombe nucleare. Reacția de fisiune controlată a uraniului este sursa de energie în centralele nucleare.
Ce este un neutron? Care sunt structura, proprietățile și funcțiile sale? Neutronii sunt cele mai mari dintre particulele care alcătuiesc atomii, care sunt elementele de bază ale întregii materii.
Structura atomului
Neutronii sunt localizați în nucleu - o regiune densă a atomului, plină de asemenea cu protoni (particule încărcate pozitiv). Aceste două elemente sunt ținute împreună de o forță numită nucleară. Neutronii au o sarcină neutră. Sarcina pozitivă a protonului se potrivește cu sarcina negativă a electronului pentru a crea un atom neutru. Deși neutronii din nucleu nu afectează sarcina unui atom, ei au multe proprietăți care afectează un atom, inclusiv nivelul de radioactivitate.
Neutroni, izotopi și radioactivitate
O particulă care se află în nucleul unui atom - un neutron este cu 0,2% mai mare decât un proton. Împreună, ele reprezintă 99,99% din masa totală a aceluiași element și pot avea un număr diferit de neutroni. Când oamenii de știință se referă la masa atomică, ei înseamnă masa atomică medie. De exemplu, carbonul are de obicei 6 neutroni și 6 protoni cu o masă atomică de 12, dar uneori apare cu o masă atomică de 13 (6 protoni și 7 neutroni). Carbonul cu număr atomic 14 există și el, dar este rar. Deci masa atomică a carbonului ajunge la 12.011.
Când atomii au un număr diferit de neutroni, ei se numesc izotopi. Oamenii de știință au găsit modalități de a adăuga aceste particule în nucleu pentru a crea izotopi mari. Acum adăugarea de neutroni nu afectează sarcina atomului, deoarece aceștia nu au nicio sarcină. Cu toate acestea, ele cresc radioactivitatea atomului. Acest lucru poate duce la atomi foarte instabili care pot descărca niveluri ridicate de energie.
Ce este un nucleu?
În chimie, nucleul este centrul încărcat pozitiv al unui atom, care este format din protoni și neutroni. Cuvântul „miez” provine din latinescul nucleus, care este o formă a cuvântului care înseamnă „nucă” sau „miez”. Termenul a fost inventat în 1844 de Michael Faraday pentru a descrie centrul unui atom. Științele implicate în studiul nucleului, studiul compoziției și caracteristicilor acestuia, se numesc fizică nucleară și chimie nucleară.
Protonii și neutronii sunt ținuți împreună de forța nucleară puternică. Electronii sunt atrași de nucleu, dar se mișcă atât de repede încât rotația lor se realizează la o anumită distanță de centrul atomului. Sarcina nucleară pozitivă provine de la protoni, dar ce este un neutron? Este o particulă care nu are sarcină electrică. Aproape toată greutatea unui atom este conținută în nucleu, deoarece protonii și neutronii au mult mai multă masă decât electronii. Numărul de protoni dintr-un nucleu atomic determină identitatea acestuia ca element. Numărul de neutroni indică care izotop al unui element este un atom.
Dimensiunea nucleului atomic
Nucleul este mult mai mic decât diametrul total al atomului, deoarece electronii pot fi mai departe de centru. Un atom de hidrogen este de 145.000 de ori mai mare decât nucleul său, iar un atom de uraniu este de 23.000 de ori mai mare decât centrul său. Nucleul de hidrogen este cel mai mic deoarece este format dintr-un singur proton.
Localizarea protonilor și neutronilor în nucleu
Protonii și neutronii sunt de obicei reprezentați ca împachetate împreună și distribuiți uniform pe sfere. Cu toate acestea, aceasta este o simplificare a structurii actuale. Fiecare nucleon (proton sau neutron) poate ocupa un anumit nivel de energie și o gamă de locații. În timp ce nucleul poate fi sferic, poate fi, de asemenea, în formă de para, globular sau în formă de disc.
Nucleele de protoni și neutroni sunt barioni, formați din cei mai mici, numiți quarci. Forța de atracție are o rază foarte scurtă, astfel încât protonii și neutronii trebuie să fie foarte aproape unul de celălalt pentru a fi legați. Această atracție puternică învinge repulsia naturală a protonilor încărcați.
Proton, neutron și electron
Un impuls puternic în dezvoltarea unei astfel de științe precum fizica nucleară a fost descoperirea neutronului (1932). Mulțumesc pentru asta ar trebui să fie un fizician englez care a fost student al lui Rutherford. Ce este un neutron? Aceasta este o particulă instabilă, care în stare liberă în doar 15 minute este capabilă să se descompună într-un proton, un electron și un neutrin, așa-numita particulă neutră fără masă.
Particula și-a primit numele datorită faptului că nu are sarcină electrică, este neutră. Neutronii sunt extrem de densi. Într-o stare izolată, un neutron va avea o masă de numai 1,67·10 - 27, iar dacă luați o linguriță plină dens cu neutroni, atunci bucata de materie rezultată va cântări milioane de tone.
Numărul de protoni din nucleul unui element se numește număr atomic. Acest număr conferă fiecărui element propria identitate unică. În atomii unor elemente, cum ar fi carbonul, numărul de protoni din nuclee este întotdeauna același, dar numărul de neutroni poate varia. Un atom al unui element dat cu un anumit număr de neutroni în nucleu se numește izotop.
Sunt neutronii unici periculoși?
Ce este un neutron? Aceasta este o particulă care, împreună cu protonul, este inclusă în Cu toate acestea, uneori pot exista singure. Când neutronii se află în afara nucleelor atomilor, aceștia dobândesc proprietăți potențial periculoase. Când se mișcă cu viteză mare, produc radiații letale. Cunoscute pentru capacitatea lor de a ucide oameni și animale, așa-numitele bombe cu neutroni au un impact minim asupra structurilor fizice nevii.
Neutronii sunt o parte foarte importantă a unui atom. Densitatea mare a acestor particule, combinată cu viteza lor, le conferă o putere și o energie distructive extraordinare. În consecință, ele pot altera sau chiar rupe nucleele atomilor care lovesc. Deși neutronul are o sarcină electrică neutră netă, este alcătuit din componente încărcate care se anulează reciproc în ceea ce privește sarcina.
Neutronul dintr-un atom este o particulă minusculă. La fel ca protonii, ei sunt prea mici pentru a fi văzuti chiar și cu un microscop electronic, dar sunt acolo pentru că doar așa se explică comportamentul atomilor. Neutronii sunt foarte importanți pentru stabilitatea unui atom, dar în afara centrului său atomic ei nu pot exista mult timp și se descompun în medie în doar 885 de secunde (aproximativ 15 minute).
Se încarcă...