Нейтрон

[править] 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.

Роль нейтрона в делении ядра урана

Если задаваться вопросом, что такое нейтрон в ядерной энергетике, то можно с уверенностью сказать, что это средство индуцирования процесса деления ядра урана, сопровождаемое выделением большой энергии. Во время этой реакции деления также порождаются нейтроны различных скоростей. В свою очередь образованные нейтроны индуцируют распад других ядер урана, и реакция протекает цепным образом.

Если реакция деления урана будет неконтролируемой, то это приведет к взрыву реакционного объема. Данный эффект используется в ядерных бомбах. Контролируемая реакция деления урана является источником энергии в ядерных электростанциях.

[править] 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.

Открытие нейтрона

Существование нейтрона было обнаружено английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Он изучал радиоактивное излучение бериллия, провел серию экспериментов, получив результаты, которые не совпадали с теми, что предсказывали физические формулы: энергия радиоактивного излучения намного превосходила теоретические значения, также нарушался закон сохранения импульса. Поэтому необходимо было принять одну из гипотез:

1. Либо момент импульса не сохраняется при ядерных процессах.
2. Либо радиоактивное излучение состоит из частиц.

Первое предположение ученый отбросил, поскольку оно противоречит фундаментальным физическим законам, поэтому принял вторую гипотезу. Чедвик показал, что радиационное излучение в его экспериментах образовано частицами с нулевым зарядом, которые обладают сильной проникающей способностью. Кроме того, он смог измерить массу этих частиц, установив, что она немного больше таковой для протона.

Строение и распад

Кварковая структура нейтрона

Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Близость значений масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.

Поскольку нейтрон тяжелее протона (на 1,293 332 36(46) МэВ, или 0,001 388 449 33(49) а.е.м.), то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни, приблизительно равное 15 минутам, это примерно в миллиард раз больше времени жизни мюона — следующей за нейтроном метастабильной частицы по времени жизни.

Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном, составляющая около 1,3 МэВ, невелика по меркам ядерной физики. Вследствие этого в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным. Более того, в нейтроно-дефицитных ядрах происходит бета-распад протона в нейтрон (с захватом орбитального электрона или вылетом позитрона); этот процесс энергетически запрещён для свободного протона.

На кварковом уровне бета-распад нейтрона может быть описан как превращение одного из d-кварков в u-кварк с испусканием виртуального W−-бозона, который немедленно распадается на электрон и электронное антинейтрино.

Изучение распада свободного нейтрона важно для уточнения свойств слабого взаимодействия, а также поиска нарушений временно́й инвариантности, нейтрон-антинейтронных осцилляций и т. п.

Внутренняя структура нейтрона впервые была экспериментально исследована Р. Хофштадтером путём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий (2 ГэВ) с нейтронами, входящими в состав дейтрона (Нобелевская премия по физике 1961 г.). Нейтрон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом ≈ 0,25·10−13 см, с высокой плотностью массы и заряда, которая имеет общий заряд ≈ +0,35 e, и окружающей его относительно разреженной оболочки («мезонной шубы»). На расстоянии от ≈ 0,25·10−13 до ≈ 1,4·10−13 см эта оболочка состоит в основном из виртуальных ρ- и π-мезонов и обладает общим зарядом ≈ −0,50 e. Дальше расстояния ≈ 2,5·10−13 см от центра простирается оболочка из виртуальных ω- и π-мезонов, несущих суммарный заряд около +0,15 e.

[править] 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: \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): \hbox{p}\to\hbox{n}+\hbox{e}^{+}+{\nu}_{\mathrm{e}}. Превращение протона в нейтрон внутри ядра возможно и путем захвата электрона (электронный захват): \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.

Основные характеристики

• Масса (примерно на 0,1378 % больше, чем масса протона; приведены рекомендованные значения CODATA 2014 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение):
  • 939,565 420 52(54) МэВ;
  • 1,008 664 915 95(49) а. е. м.;
  • 1,674 927 498 04(95)⋅10−27 кг;
  • 1838,683 661 73(89) массы электрона.
• Электрический заряд: 0. Экспериментально измеренное значение совместимо с нулём: (−0,2 ± 0,8)⋅10−21элементарного электрического заряда.
• Спин: 1⁄₂ (фермион). Спин свободного нейтрона измеряется методом когерентного отражения от магнитных зеркал.
• Время жизни в свободном состоянии: τ = 880,0 ± 0,9 секунды (период полураспада T_1/2 = τ·ln 2 = 610,0 ± 0,6 секунды).
• Магнитный момент: −1,913 042 73(45) ядерного магнетона, или −9,662 365 1(23)×10−27Дж/Тл. Магнитный момент нейтрона измеряется с помощью резонансного метода молекулярных пучков.
• Внутренняя чётность: равна 1.

Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном. Нейтрон аннигилирует с антинейтроном и другими антиадронами (в частности, с антипротоном).

С нейтроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины:

• комптоновская длина волны нейтрона λK=2πℏmc≈1,32⋅10−13{\displaystyle \lambda _{K}={\frac {2\pi \hbar }{mc}}\approx 1{,}32\cdot 10^{-13}} см;
• расстояние от центра нейтрона до максимума плотности отрицательного электрического заряда (зарядовый радиус) RE≈,75⋅10−13{\displaystyle R_{E}\approx 0{,}75\cdot 10^{-13}} см;
• отношение электрического дипольного момента нейтрона к элементарному заряду |dne|<2,9⋅10−26{\displaystyle \left|{\frac {d_{n}}{e}}\right|<2{,}9\cdot 10^{-26}} см;
• гравитационный радиус нейтрона RG=2Gmc2≈2,48⋅10−52{\displaystyle R_{G}={\frac {2Gm}{c^{2}}}\approx 2{,}48\cdot 10^{-52}} см.

Строение нейтрона

Нейтрон присутствует в составе ядер атомов для каждого химического элемента, исключение составляет лишь атом водорода, ядро которого представляет собой один протон. Что такое нейтрон, какое строение он имеет? Хотя он и называется элементарным «кирпичиком» ядра, но все же имеет свою внутреннюю структуру. В частности, он относится к семейству барионов и состоит из трех кварков, два из которых являются кварками нижнего типа, а один — верхнего. Все кварки имеют дробный электрический заряд: верхний заряжен положительно (+2/3 от заряда электрона), а нижний — отрицательно (-1/3 электронного заряда). Именно поэтому нейтрон не имеет электрического заряда, ведь он у составляющих его кварков просто компенсируется. Тем не менее, магнитный момент нейтрона не равен нулю.

В составе нейтрона, определение которого было дано выше, каждый кварк соединен с остальными с помощью глюонового поля. Глюон является частицей, ответственной за образование ядерных сил.

Помимо массы в килограммах и атомных единицах массы, в ядерной физике массу частицы описывают также в ГэВ (гигаэлектронвольтах). Это стало возможным после открытия Эйнштейном своего знаменитого уравнения E=mc2, которое связывает энергию с массой. Что такое нейтрон в ГэВ? Это величина 0,0009396, которая немного больше аналогичной для протона (0,0009383).

Стабильность нейтрона и ядер атомов

Присутствие нейтронов в атомных ядрах очень важно для их стабильности и возможности существования самой атомной структуры и вещества в целом. Дело в том, что протоны, которые также составляют атомное ядро, имеют положительный заряд

И сближение их на близкие расстояния требует затрат огромных энергий ввиду кулоновского электрического отталкивания. Ядерные же силы, действующие между нейтронами и протонами на 2-3 порядка сильнее кулоновских. Поэтому они способны удерживать положительно заряженные частицы на близких расстояниях. Ядерные взаимодействия являются короткодействующими и проявляют себя только в пределах размеров ядра.

Формулу нейтронов используют для нахождения их количества в ядре. Она выглядит так: количество нейтронов = атомная масса элемента — атомный номер в таблице Менделеева.

Свободный нейтрон — это частица нестабильная. Среднее время его жизни составляет 15 минут, после чего он распадается три частицы:

• электрон;
• протон;
• антинейтрино.

Иные свойства

Изоспины нейтрона и протона одинаковы (1⁄₂), но их проекции противоположны по знаку. Проекция изоспина нейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной −1⁄₂, в ядерной физике +1⁄₂ (поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).

Нейтрон и протон вместе с Λ,Σ,Ξ{\displaystyle \Lambda ,\Sigma ,\Xi } — барионами входят в состав октета барионов со спином 12{\displaystyle {\tfrac {1}{2}}} и барионным зарядом 1{\displaystyle 1}.

Нейтрон — единственная из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой непосредственно наблюдалось гравитационное взаимодействие — искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка ультрахолодных нейтронов. Измеренное гравитационное ускорение нейтронов в пределах точности эксперимента совпадает с гравитационным ускорением макроскопических тел.

При огромном давлении внутри нейтронной звезды нейтроны могут деформироваться вплоть до того, что приобретают форму куба.

Нейтроны, изотопы и радиоактивность

Частица, которая находится в ядре атома — нейтрон на 0,2% больше протона. Вместе они составляют 99,99% всей массы атома. Атомы одного и того же элемента могут иметь различное количество нейтронов. Когда ученые ссылаются на атомную массу, они имеют в виду среднюю атомную массу. Например, углерод обычно имеет 6 нейтронов и 6 протонов с атомной массой 12, но иногда он встречается с атомной массой 13 (6 протонов и 7 нейтронов). Углерод с атомным номером 14 также существует, но встречается редко. Итак, атомная масса для углерода усредняется до 12,011.

Когда атомы имеют различное количество нейтронов, их называют изотопами. Ученые нашли способы добавления этих частиц в ядро ​​для создания больших изотопов. Теперь добавление нейтронов не влияет на заряд атома, так как они не имеют заряда. Однако они увеличивают радиоактивность атома. Это может привести к очень неустойчивым атомам, которые могут разряжать высокие уровни энергии.

Открытие

Открытие нейтрона (27 февраля ) принадлежит физику Джеймсу Чедвику, который объяснил результаты опытов В. Боте и Г. Беккера (), в которых обнаружилось, что вылетающие при распаде полония α-частицы, воздействуя на лёгкие элементы, приводят к возникновению сильно проникающего излучения. Чедвик первый предположил, что новое проникающее излучение состоит из нейтронов, и определил их массу. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

В 1930 году В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко показали, что атом не может, как считалось в то время, состоять только из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы.

В 1930 году Вальтер Боте и его студент Герберт Беккер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 году английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и провёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он). В том же 1932 году Д. Д. Иваненко и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.