Co to jest neutron w fizyce: struktura, właściwości i zastosowanie

Co to jest neutron? Takie pytanie najczęściej pojawia się u ludzi, którzy nie są zaangażowani w fizykę jądrową, ponieważ neutron w nim jest rozumiany jako elementarna cząstka, która nie ma ładunku elektrycznego i ma masę, która jest 1838,4 razy większa niż elektronowa. Wraz z protonem, którego masa jest nieco mniejsza niż masa neutronu, jest "cegiełką" jądra atomowego. W fizyce cząstek elementarnych neutron i proton opierają się na dwóch różnych formach pojedynczej cząstki - nukleonie.

Struktura neutronowa

Neutron występuje w składzie jąder atomowych dla każdego pierwiastka chemicznego, jedynym wyjątkiem jest atom wodoru, którego jądrem jest pojedynczy proton. Co to jest neutron, jaka to struktura? Chociaż nazywane jest elementarną "cegiełką" rdzenia, nadal ma swoją wewnętrzną strukturę. W szczególności należy do rodziny barionowej i składa się z trzech kwarków, z których dwa są kwarkami niższego typu, a jeden z nich jest górny. Wszystkie kwarki mają ułamek ładunek elektryczny: góra dodatnio naładowana (+2/3 od ładunek elektronów), dolny jest ujemny (-1/3 ładunku elektronicznego). Dlatego neutron nie ma ładunku elektrycznego, ponieważ jest on po prostu kompensowany przez kwarki, które go tworzą. Jednak moment magnetyczny neutronu nie jest zerowy.

W składzie neutronu, którego definicja została podana powyżej, każdy kwark jest połączony z resztą za pomocą pola gluonowego. Gluon jest cząsteczką odpowiedzialną za powstawanie sił jądrowych.

Oprócz masy w kilogramach i jednostkach masy atomowej, w fizyce jądrowej masę cząstek opisano również w GeV (giga-elektronowoltach). Stało się to możliwe po tym, jak Einstein odkrył swoje słynne równanie E = mc ² , które odnosi energię do masy. Co to jest neutron w GeV? Jest to wartość 0.0009396, która jest nieco większa niż proton (0.0009383).

Stabilność jądra neutronowego i atomowego

Obecność neutronów w jądrach atomowych jest bardzo ważna dla ich stabilności i możliwości istnienia samej struktury atomowej i substancji jako całości. Faktem jest, że protony, które również stanowią jądro atomowe, mają ładunek dodatni. A przybliżanie ich na krótkich dystansach wymaga olbrzymich energii z powodu odpychania elektrycznego Coulomb. Siły jądrowe działające między neutronami i protonami są o 2-3 rzędy wielkości silniejsze od kulombowskich. W związku z tym są w stanie utrzymać dodatnio naładowane cząstki z niewielkiej odległości. Interakcje jądrowe są bliskie zasięgu i przejawiają się tylko w wielkości rdzenia.

Formuła neutronów służy do znalezienia ich liczby w jądrze. Wygląda to tak: liczba neutronów = masa atomowa pierwiastka - liczba atomowa w układzie okresowym.

Wolny neutron jest niestabilną cząstką. Średni czas jego życia wynosi 15 minut, po czym rozpada się na trzy cząstki:

• elektron;
• proton;
• antyneutrino.

Wymagania wstępne do odkrycia neutronu

Teoretyczne istnienie neutronu w fizyce zaproponowano już w 1920 roku Ernest Rutherford którzy próbowali w ten sposób wyjaśnić, dlaczego jądra atomowe nie rozpadają się z powodu elektromagnetycznego odpychania protonów.

Jeszcze wcześniej, w 1909 r. W Niemczech, Bothe i Becker odkryli, że jeśli wysokoenergetyczne cząstki alfa z polonu naświetlają lekkie pierwiastki, takie jak beryl, bor lub lit, powstaje promieniowanie przechodzące przez dowolną grubość różnych materiałów. Zasugerowali to promieniowanie gamma, jednak żadne znane w tym czasie promieniowanie nie posiadało tak dużej mocy przenikania. Eksperymenty Bothe i Beckera nie zostały właściwie zinterpretowane.

Odkrywanie neutronów

Istnienie neutronu odkrył angielski fizyk James Chadwick w 1932 roku. Zbadał promieniowanie radioaktywne berylu, przeprowadził serię eksperymentów, uzyskując wyniki, które nie pokrywały się z przewidywanymi przez formuły fizyczne: energia promieniowania radioaktywnego znacznie przekroczyła wartości teoretyczne, a prawo zachowania pędu również zostało naruszone. Dlatego konieczne było przyjęcie jednej z hipotez:

1. Lub moment pędu nie jest zachowywany podczas procesów jądrowych.
2. Lub promieniowanie radioaktywne składa się z cząstek.

Naukowiec odrzucił pierwsze założenie, ponieważ zaprzecza fundamentalnym prawom fizyki, dlatego przyjął drugą hipotezę. Chadwick wykazał, że promieniowanie w jego eksperymentach jest tworzone przez cząstki o zerowym ładunku, które mają moc przenikania. Ponadto był w stanie zmierzyć masę tych cząstek, stwierdzając, że jest on nieco większy niż proton.

Wolne i szybkie neutrony

W zależności od energii, którą posiada neutron, nazywa się to powolnym (około 0,01 MeV) lub szybkim (około 1 MeV). Taka klasyfikacja jest ważna, ponieważ niektóre jej właściwości zależą od prędkości neutronu. W szczególności szybkie neutrony są dobrze wychwytywane przez jądra komór, co prowadzi do powstawania ich izotopów i powodują ich rozszczepienie. Powolne neutrony są słabo wychwytywane przez jądra niemal wszystkich materiałów, dzięki czemu mogą z łatwością przejść przez grube warstwy materii.

Rola neutronu w rozszczepieniu uranu

Jeśli zadajesz sobie pytanie, czym jest neutron w energii jądrowej, można bezpiecznie powiedzieć, że jest to środek do indukowania procesu rozszczepienia jądra uranu, któremu towarzyszy uwalnianie się wysokiej energii. Podczas tej reakcji rozszczepienia generowane są również neutrony o różnych prędkościach. Z kolei wytworzone neutrony indukują rozpad innych jąder uranu, a reakcja przebiega łańcuchowo.

Jeżeli reakcja rozszczepienia uranu jest niekontrolowana, doprowadzi to do eksplozji objętości reakcji. Ten efekt jest używany w bomby jądrowe. Kontrolowana reakcja rozszczepienia uranu jest źródłem energii w elektrowniach jądrowych.