Нейтрон

Файл:Quark structure neutron.svg

Кварковая структура нейтрона

50. Открытие нейтрона [9:26]

Нейтрон — субатомная частица, которая не имеет электрического заряда, а масса чуть больше массы протона.

Ядра всех атомов состоят из протонов и нейтронов, которые имеют общее название — нуклоны. Количество протонов в ядре определяет атомный номер, а значит и химический элемент. Количество нейтронов определяет изотоп химического элемента. Например, углерод-12 имеет 6 протонов и 6 нейтронов, в то время как углерод-14 имеет 6 протонов и 8 нейтронов.

Нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего кварка, и поэтому он является барионом и имеет спин ½. Масса нейтрона составляет 939 573 МэВ, либо 1.008 664 915 (78) а.е.м., либо 1,6749 × 10⁻²⁷. Античастицей нейтрона является антинейтрон.

Стабильность нейтрона и бета-распад

Если нейтрон находится за пределами ядра (свободный нейтрон), он является нестабильным и его время жизни составляет 885.7 ± 0.8 секунд (около 15 минут), при этом, чтобы стать протоном, нейтрон выпускает электрон и антинейтрин: Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \hbox{n}\to\hbox{p}+\hbox{e}^-+\overline{\nu}_{\mathrm{e}}} . Этот вид распада, известный как бета-распад, возможен также и для нейтрона, что находится внутри нестабильных ядер.

Протоны, содержащиеся внутри ядра, также могут трансформироваться в нейтроны путем бета-распада. В этом случае, превращение сопровождается эмиссией позитронов (антиэлектрона) и нейтрино (вместо антинейтрина): Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \hbox{p}\to\hbox{n}+\hbox{e}^{+}+{\nu}_{\mathrm{e}}} . Превращение протона в нейтрон внутри ядра возможно и путем захвата электрона (электронный захват): Невозможно разобрать выражение (SVG с запасным PNG (MathML можно включить с помощью плагина для браузера): Недопустимый ответ («Math extension cannot connect to Restbase.») от сервера «https://wikimedia.org/api/rest_v1/»:): {\displaystyle \hbox{p}+\hbox{e}^{-}\to\hbox{n}+{\nu}_{\mathrm{e}}} . Захват нейтронов позитронов в ядрах (позитронный захват), что имеют избыточные нейтроны, также возможен, однако маловероятен, ведь позитроны отталкиваются ядрами, и, более того, быстро аннигилируют, когда встречают отрицательные электроны.

Если нейтроны удерживаются внутри ядра, неустойчивость отдельного нейтрона уравновешивается неустойчивостью, которой будет обладать атом в целом, если возникнет дополнительный протон, который вступит во взаимодействие отталкивания с другими протонами, которые уже существовали в ядре. Поэтому, когда свободные нейтроны являются нестабильными, связанные нейтроны необязательно являются неустойчивыми. Аналогичным образом можно объяснить, почему протоны, которые являются стабильными в пустом пространстве, могут превращаться в нейтроны, когда находятся в ядре.

Бета-распад и электронный захват являются типами радиоактивного распада и оба происходят благодаря слабому взаимодействию.

Взаимодействие

Нейтрон участвует во всех четырех типах фундаментальных взаимодействий: электромагнитном, слабом, сильном и гравитационным взаимодействиях.

Гравитация действует на нейтрон, как и на любое энергетическое тело, однако гравитация настолько слаба, что ее можно не учитывать при экспериментах по физике частиц.

Самым значимым для нейтрона является сильное взаимодействие. Это взаимодействие отвечает за удерживание трех кварков у отдельной частицы. Остаточная мощная сила ответственна за удерживание нейтронов и протонов вместе в ядрах. Эта ядерная сила играет первостепенную роль, когда нейтроны проходят через материю. В отличие от заряженных частиц или фотонов, нейтрон не может терять энергию благодаря ионизации атомов. Наоборот, нейтрон беспрепятственно движется к лобовому столкновению с атомным ядром. Из-за этого нейтронное излучение является чрезвычайно проникающим.

Регистрация

Общие способы регистрации заряженных частиц, если смотреть след ионизации (например в камере Вильсона) не подходят для нейтронов напрямую. Нейтроны, что упруго рассеиваются на атомах, могут оставлять ионизационный след, который можно зарегистрировать, но не так просто осуществить такой эксперимент; обычно используют другие методы регистрации нейтронов, они основаны на взаимодействии нейтронов с атомными ядрами.

Общий метод регистрации нейтронов заключается в превращении выделенной в ходе реакций энергии в электрические сигналы. Для такой цели полезными являются изотопы ³He, ⁶Li, ¹⁰B, ²³³U, ²³⁵U, ²³⁷Np и ²³⁹Pu.

Использование

Нейтроны играют важную роль во многих ядерных реакциях. Например, нейтронный захват часто приводит к нейтронному возбуждению, вызывая радиоактивность. В частности, знания о нейтронах и их поведении важны при разработке ядерных реакторов и ядерного оружия.

Ссылки

• Экспериментальные свойства нейтронов (сайт Particle Data Group, англ.).
• CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants (2010).

Частицы в физике