Нейтрон – нейтральна частка, що відноситься до класу адронів. Відкрита 1932 р. англійським фізиком Дж. Чедвіком. Разом із протонами нейтрони входять до складу атомних ядер. Електричний заряд нейтрону дорівнює нулю. Це підтверджується прямими вимірами заряду за відхиленням пучка нейтронів у сильних електричних полях, що показали, що (тут - елементарний електричний заряд, тобто абсолютна величина заряду електрона). Непрямі дані дають оцінку. Спин нейтрону дорівнює 1/2. Як адрон із напівцілим спином він належить до групи баріонів (див. Протон). Кожен баріон має античастинку; Антинейтрон був відкритий в 1956 р. в дослідах з розсіювання антипротонів на ядрах. Антинейтрон відрізняється від нейтрона знаком баріонного заряду; у нейтрона, як і в протона, баріонний заряд дорівнює .
Як і протон та інші адрони, нейтрон не є істинно елементарною частинкою: він складається з одного м-кварка з електричним зарядом і двох -кварків з зарядом -, пов'язаних між собою глюонним полем (див. Елементарні частинки, Кварки, Сильні взаємодії).
Нейтрони стійкі лише у складі стабільних атомних ядер. Вільний нейтрон - нестабільна частка, що розпадається на протон, електрон та електронне антинейтрино (див. Бета-розпад): . Час життя нейтрону становить, тобто близько 15 хв. У речовині у вільному вигляді нейтрони існують набагато менше внаслідок сильного поглинання їх ядрами. Тому вони виникають у природі або виходять у лабораторії лише внаслідок ядерних реакцій.
По енергетичному балансу різних ядерних реакцій визначено величину різниці мас нейтрону і протону: МеВ. Зі зіставлення її з масою протона отримаємо масу нейтрона: МеВ; це відповідає г, або , де - Маса електрона.
Нейтрон бере участь у всіх видах фундаментальних взаємодій (див. Єдність сил природи). Сильні взаємодії пов'язують нейтрони та протони в атомних ядрах. Приклад слабкої взаємодії – бета-розпад нейтрону – тут уже розглядався. Чи бере участь ця нейтральна частка в електромагнітних взаємодіях? Нейтрон має внутрішню структуру, і в ньому за загальної нейтральності існують електричні струми, що призводять, зокрема, до появи у нейтрона магнітного моменту. Іншими словами, в магнітному полі нейтрон веде себе подібно до стрілки компаса.
Це лише один із прикладів його електромагнітної взаємодії.
Велике зацікавлення придбали пошуки диполь-ного електричного моменту нейтрона, котрій було отримано верхня границя: . Тут найефективніші досліди вдалося поставити вченим Ленінградського інституту ядерної фізики АН СРСР. Пошуки дипольного моменту нейтронів важливі розуміння механізмів порушення інваріантності щодо звернення часу у мікропроцесах (див. Четність).
Гравітаційні взаємодії нейтронів спостерігалися безпосередньо їх падіння у полі тяжіння Землі.
Зараз прийнята умовна класифікація нейтронів за їх кінетичною енергією: повільні нейтрони еВ, є багато їх різновидів), швидкі нейтрони (еВ), високоенергійні еВ). Дуже цікавими властивостями мають дуже повільні нейтрони (еВ), що отримали назву ультрахолодних. Виявилося, що ультрахолодні нейтрони можна накопичувати в «магнітних пастках» і навіть орієнтувати там їхні спини у певному напрямку. За допомогою магнітних полів спеціальної конфігурації ультрахолодні нейтрони ізолюються від стінок, що поглинають, і можуть «жити» в пастці, поки не розпадуться. Це дозволяє проводити багато тонких експериментів з вивчення властивостей нейтронів.
Інший метод зберігання ультрахолодних нейтронів ґрунтується на їх хвильових властивостях. При малій енергії довжина хвилі де Бройля (див. Квантова механіка) настільки велика, що нейтрони відбиваються від ядер речовини подібно до того, як світло відбивається від дзеркала. Такі нейтрони можна просто зберігати у замкнутому «банку». Ця ідея була висловлена радянським фізиком Я. Б. Зельдовичем наприкінці 1950-х рр., і перші результати були отримані в Дубні, в Об'єднаному інституті ядерних досліджень майже через десятиліття. Нещодавно радянським вченим вдалося побудувати посудину, в якій ультрахолодні нейтрони живуть до свого природного розпаду.
Вільні нейтрони здатні активно взаємодіяти з атомними ядрами, спричиняючи ядерні реакції. В результаті взаємодії повільних нейтронів з речовиною можна спостерігати резонансні ефекти, дифракційне розсіювання в кристалах тощо. Завдяки цим своїм особливостям нейтрони широко використовуються в ядерній фізиці та фізиці твердого тіла. Вони відіграють важливу роль у ядерній енергетиці, у виробництві трансуранових елементів та радіоактивних ізотопів, знаходять практичне застосування у хімічному аналізі та в геологічній розвідці.
Що таке нейтрон? Таке питання найчастіше виникає у людей, які не займаються ядерною фізикою, адже під нейтроном у ній розуміють елементарну частинку, яка не має електричного заряду та має масу, що перевищує електронну у 1838,4 рази. Разом з протоном, маса якого трохи менше, ніж маса нейтрону, він є "цеглиною" атомного ядра. У фізиці елементарних частинок нейтрон і протон покладаються двома різними формами однієї частки – нуклону.
Нейтрон є у складі ядер атомів кожному за хімічного елемента, виняток становить лише атом водню, ядро якого є один протон. Що таке нейтрон, яку будову він має? Хоча він і називається елементарним "цеглиною" ядра, але все ж таки має свою внутрішню структуру. Зокрема, він належить до сімейства баріонів і складається із трьох кварків, два з яких є кварками нижнього типу, а один – верхнього. Усі кварки мають дрібний електричний заряд: верхній заряджений позитивно (+2/3 від заряду електрона), а нижній - негативно (-1/3 електронного заряду). Саме тому нейтрон не має електричного заряду, адже він у складових його кварків просто компенсується. Тим не менш, магнітний момент нейтрону не дорівнює нулю.
У складі нейтрона, визначення якого було дано вище, кожен кварки з'єднаний з іншими за допомогою глюонового поля. Глюон є часткою, відповідальною за утворення ядерних сил.
Крім маси в кілограмах та атомних одиницях маси, в ядерній фізиці масу частки описують також у ГеВ (гігаелектронвольтах). Це стало можливим після відкриття Ейнштейном свого знаменитого рівняння E=mc 2 яке пов'язує енергію з масою. Що таке нейтрон у ГеВ? Це величина 0,0009396, яка трохи більша за аналогічну для протона (0,0009383).
Стабільність нейтрону та ядер атомів
Присутність нейтронів в атомних ядрах дуже важлива для їхньої стабільності та можливості існування самої атомної структури та речовини в цілому. Справа в тому, що протони, які також становлять атомне ядро, мають позитивний заряд. І зближення їх на близькі відстані вимагає витрат величезних енергій через кулонівське електричне відштовхування. Ядерні ж сили, що діють між нейтронами і протонами на 2-3 порядки сильніші за кулонівські. Тому вони здатні утримувати позитивно заряджені частинки на близьких відстанях. Ядерні взаємодії є короткодіючими і виявляють себе лише в межах розмірів ядра.
Формулу нейтронів використовують для знаходження їх кількості у ядрі. Вона виглядає так: кількість нейтронів = атомна маса елемента – атомний номер у таблиці Менделєєва.
Вільний нейтрон – це частка нестабільна. Середній час його життя становить 15 хвилин, після чого він розпадається три частинки:
- електрон;
- протон;
- антинейтрино.
Передумови відкриття нейтрону
Теоретичне існування нейтрона у фізиці було запропоновано ще 1920 року Ернестом Резерфордом, який намагався таким чином пояснити, чому атомні ядра не розвалюються через електромагнітне відштовхування протонів.
Ще раніше, в 1909 році в Німеччині, Боті та Беккері встановили, що якщо альфа-частинками великих енергій від полонію опромінювати легкі елементи, наприклад, берилій, бор чи літій, то утворюється випромінювання, яке проходить через будь-яку товщину різних матеріалів. Вони припустили, що це випромінювання гамма, однак жодне подібне випромінювання, відоме на той момент, не мало такої великої проникаючої здатності. Експерименти Боте і Беккера були інтерпретовані належним чином.
Відкриття нейтрону
Існування нейтрона було виявлено англійським фізиком Джеймсом Чедвіком у 1932 році. Він вивчав радіоактивне випромінювання берилію, провів серію експериментів, отримавши результати, які не збігалися з тими, що пророкували фізичні формули: енергія радіоактивного випромінювання набагато перевершувала теоретичні значення, також порушувався закон збереження імпульсу. Тому необхідно було прийняти одну з гіпотез:
- Або момент імпульсу не зберігається при ядерних процесах.
- Або радіоактивне випромінювання складається з частинок.
Перше припущення вчений відкинув, оскільки він суперечить фундаментальним фізичним законам, тому прийняв другу гіпотезу. Чедвік показав, що радіаційне випромінювання в його експериментах утворене частинками з нульовим зарядом, які мають сильну проникаючу здатність. Крім того, він зміг виміряти масу цих частинок, встановивши, що вона трохи більша за таку для протона.
Повільні та швидкі нейтрони
Залежно від енергії, яку має нейтрон, він називається повільним (порядку 0,01 МеВ) або швидким (порядку 1 МеВ). Така класифікація важлива, оскільки від швидкості нейтрону залежать його властивості. Зокрема, швидкі нейтрони добре захоплюються ядрами, приводячи до утворення їх ізотопів, і викликаючи їх поділ. Повільні нейтрони погано захоплюються ядрами практично всіх матеріалів, тому вони можуть безперешкодно проходити крізь товсті шари речовини.
Роль нейтрону в розподілі ядра урану
Якщо ставити питання, що таке нейтрон в ядерній енергетиці, то можна з упевненістю сказати, що це засіб індукування процесу поділу ядра урану, що супроводжується виділенням великої енергії. Під час цієї реакції розподілу також породжуються нейтрони різних швидкостей. У свою чергу, утворені нейтрони індукують розпад інших ядер урану, і реакція протікає ланцюговим чином.
Якщо реакція поділу урану буде неконтрольованою, це призведе до вибуху реакційного обсягу. Цей ефект використовується в ядерних бомбах. Контрольована реакція поділу урану є джерелом енергії в ядерних електростанціях.
Що таке нейтрон? Які його структура, властивості та функції? Нейтрони - це найбільші з частинок, що становлять атоми, що є будівельними блоками всієї матерії.
Структура атома
Нейтрони перебувають у ядрі - щільної області атома, також заповненої протонами (позитивно зарядженими частинками). Ці два елементи утримуються разом з допомогою сили, називаємо ядерної. Нейтрони мають нейтральний заряд. Позитивний заряд протона зіставляється з негативним зарядом електрона до створення нейтрального атома. Незважаючи на те, що нейтрони в ядрі не впливають на заряд атома, вони все ж таки мають багато властивостей, які впливають на атом, включаючи рівень радіоактивності.
Нейтрони, ізотопи та радіоактивність
Частка, яка знаходиться в ядрі атома - нейтрон на 0,2% більше за протон. Разом вони становлять 99,99% усієї маси одного і того ж елемента можуть мати різну кількість нейтронів. Коли вчені посилаються на атомну масу, мають на увазі середню атомну масу. Наприклад, вуглець зазвичай має 6 нейтронів та 6 протонів з атомною масою 12, але іноді він зустрічається з атомною масою 13 (6 протонів та 7 нейтронів). Вуглець з атомним номером 14 також існує, але трапляється рідко. Отже, атомна маса для вуглецю усереднюється до 12,011.
Коли атоми мають різну кількість нейтронів, їх називають ізотопами. Вчені знайшли способи додавання цих частинок в ядро для створення великих ізотопів. Тепер додавання нейтронів не впливає на заряд атома, оскільки вони не мають заряду. Однак вони збільшують радіоактивність атома. Це може призвести до дуже нестійких атомів, які можуть розряджати високі рівні енергії.
Що таке ядро?
У хімії ядро є позитивно зарядженим центром атома, який складається з протонів та нейтронів. Слово "ядро" походить від латинського nucleus, яке є формою слова, що означає "горіх" або "ядро". Цей термін був придуманий в 1844 Майклом Фарадеєм для опису центру атома. Науки, що беруть участь у дослідженні ядра, вивченні його складу та характеристик, називаються ядерною фізикою та ядерною хімією.
Протони та нейтрони утримуються сильною ядерною силою. Електрони притягуються до ядра, але рухаються так швидко, що їхнє обертання здійснюється на деякій відстані від центру атома. Заряд ядра зі знаком плюс походить від протонів, а що таке нейтрон? Це частка, яка не має електричного заряду. Майже вся вага атома міститься в ядрі, тому що протони та нейтрони мають набагато більшу масу, ніж електрони. Число протонів в атомному ядрі визначає його ідентичність як елемента. Число нейтронів означає, який ізотоп елемент є атомом.
Розмір атомного ядра
Ядро набагато менше загального діаметра атома, тому що електрони можуть бути віддалені від центру. Атом водню в 145 000 разів більше свого ядра, а атом урану в 23 000 разів більший за свій центр. Ядро водню є найменшим, тому що воно складається із одиночного протона.
Розташування протонів і нейтронів у ядрі
Протон і нейтрони зазвичай зображуються як ущільнені разом і рівномірно розподілені за сферами. Однак це спрощення фактичної структури. Кожен нуклон (протон або нейтрон) може займати певний рівень енергії та діапазон позицій. У той час як ядро може бути сферичним, воно може бути також грушоподібним, кулястим або дископодібним.
Ядра протонів і нейтронів є баріонами, що складаються з найменших званих кварками. Сила тяжіння має дуже короткий діапазон, тому протони та нейтрони повинні бути дуже близькими один до одного, щоб бути пов'язаними. Це сильне тяжіння долає природне відштовхування заряджених протонів.
Протон, нейтрон та електрон
Потужним поштовхом у розвитку такої науки, як ядерна фізика, стало відкриття нейтрона (1932). Дякувати за це слід англійського фізика, який був учнем Резерфорда. Що таке нейтрон? Це нестабільна частка, яка у вільному стані всього за 15 хвилин здатна розпадатися на протон, електрон та нейтрино, так звану безмасову нейтральну частинку.
Частка отримала свою назву через те, що не має електричного заряду, вона нейтральна. Нейтрони є дуже щільними. В ізольованому стані один нейтрон матиме масу всього 1,67 · 10 - 27, а якщо взяти чайну ложку щільно упаковану нейтронами, то шматок матерії, що вийшов, важитиме мільйони тонн.
Кількість протонів у ядрі елемента називається атомним номером. Це число дає кожному елементу унікальну ідентичність. В атомах деяких елементів, наприклад, вуглецю, число протонів в ядрах завжди однаково, але кількість нейтронів може відрізнятися. Атом цього елемента з певною кількістю нейтронів в ядрі називається ізотопом.
Чи небезпечні поодинокі нейтрони?
Що таке нейтрон? Це частинка, яка поряд з протоном входить в природу. Однак іноді вони можуть існувати самі по собі. Коли нейтрони знаходяться поза ядерами атомів, вони набувають потенційно небезпечних властивостей. Коли вони рухаються з високою швидкістю, вони спричиняють смертельну радіацію. Так звані нейтронні бомби, відомі своєю здатністю вбивати людей і тварин, при цьому мінімально впливають на неживі фізичні структури.
Нейтрони є дуже важливою частиною атома. Висока щільність цих частинок у поєднанні зі своєю швидкістю надає їм надзвичайну руйнівну силу та енергію. Як наслідок, вони можуть змінити або навіть розірвати частини ядра атомів, які вражають. Хоча нейтрон має чистий нейтральний електричний заряд, він складається із заряджених компонентів, які скасовують один одного щодо заряду.
Нейтрон в атомі – це крихітна частка. Як і протони, вони надто малі, щоб побачити їх навіть за допомогою електронного мікроскопа, але вони там є, тому що це єдиний спосіб, що пояснює поведінку атомів. Нейтрони дуже важливі для забезпечення стабільності атома, проте за межами його атомного центру вони не можуть існувати довго і розпадаються в середньому лише за 885 секунд (близько 15 хвилин).
Loading...