Kaj je nevtron v fiziki: struktura, lastnosti in uporaba

Kaj je nevtron? Takšno vprašanje se najpogosteje pojavlja pri ljudeh, ki se ne ukvarjajo z jedrsko fiziko, ker se nevtron v njem razume kot elementarni delček, ki nima električnega naboja in ima maso, ki je 1838,4-krat večja od elektrona. Skupaj s protonom, katerega masa je nekoliko manjša od mase nevtrona, je »opeka« atomskega jedra. V fiziki osnovnih delcev se nevtron in proton opirata na dve različni obliki enega samega delca, nukleona.

Nevtronska struktura

Nevtron je prisoten v atomskem jedru vsakega kemičnega elementa, edina izjema je atom vodika, katerega jedro je en sam proton. Kaj je nevtron, kakšno strukturo ima? Čeprav se imenuje osnovna "opeka" jedra, ima še vedno svojo notranjo strukturo. Še posebej spada v baryonsko družino in je sestavljena iz treh kvarkov, od katerih sta dva kvarka nižjega tipa, eden izmed njih pa je zgornji. Vsi kvarkovi imajo delno električni naboj: vrh pozitivno nabit (+2/3 od elektronski naboj), spodnji je negativen (-1/3 elektronskega naboja). Zato nevtron nima električnega naboja, ker ga preprosto kompenzirajo kvarkovi, ki ga tvorijo. Vendar nevtronski magnetni moment ni nič.

V sestavi nevtrona, katerega definicija je bila podana zgoraj, je vsak kvark povezan s preostalim s pomočjo gluonskega polja. Gluon je delček, ki je odgovoren za nastanek jedrskih sil.

Poleg mase v kilogramih in atomskih masnih enotah, je v jedrski fiziki masa delcev opisana tudi v GeV (giga-elektronvolti). To je postalo možno, ko je Einstein odkril svojo slavno enačbo E = mc ² , ki povezuje energijo z maso. Kaj je nevtron v GeV? To je vrednost 0,0009396, ki je nekoliko večja od protona (0,0009383).

Stabilnost nevtronskih in atomskih jeder

Prisotnost nevtronov v atomskih jedrih je zelo pomembna za njihovo stabilnost in možnost obstoja same atomske strukture in snovi kot celote. Dejstvo je, da imajo protoni, ki tvorijo tudi atomsko jedro, pozitiven naboj. Približevanje na kratke razdalje zahteva ogromne energije zaradi Coulombovega električnega odbijanja. Jedrske sile, ki delujejo med nevtroni in protoni, so za 2-3 reda močnejše od Coulombovih. Zato lahko ohranijo pozitivno nabite delce na kratkih razdaljah. Jedrske interakcije so kratkega dosega in se kažejo samo znotraj velikosti jedra.

Formula nevtronov se uporablja za iskanje njihovega števila v jedru. Izgleda takole: število nevtronov = atomska masa elementa - atomsko število v periodnem sistemu.

Prosti nevtron je nestabilen delec. Povprečni čas njegovega življenja je 15 minut, potem pa se razgradi v tri delce:

• elektron;
• proton;
• antineutrino.

Pogoji za odkritje nevtrona

Teoretski obstoj nevtrona v fiziki je bil predlagan že leta 1920 Ernest Rutherford ki so poskušali na ta način razložiti, zakaj atomska jedra ne razpadejo zaradi elektromagnetnega odbijanja protonov.

Še prej, leta 1909 v Nemčiji, sta Bothe in Becker ugotovila, da če visokoenergijski alfa delci polonija obsevajo lahke elemente, kot so berilij, bor ali litij, potem nastane sevanje, ki prehaja skozi vsako debelino različnih materialov. Predlagali so ga sevanje gama, vendar pa takšno sevanje, ki je bilo takrat znano, ni imelo tako velike prodorne moči. Poskusi Bothea in Beckerja niso bili pravilno interpretirani.

Nevtronsko odkritje

Obstoj nevtrona je odkril angleški fizik James Chadwick leta 1932. Študiral je radioaktivno sevanje berilija, izvedel je serijo poskusov in dobil rezultate, ki niso sovpadali z napovedanimi s fizikalnimi formulami: energija radioaktivnega sevanja je daleč presegla teoretične vrednosti, kršil pa se je tudi zakon ohranjanja gibanja. Zato je bilo treba sprejeti eno od hipotez:

1. Ali pa se momentni moment ne ohrani med jedrskimi procesi.
2. Ali radioaktivno sevanje sestavljajo delci.

Znanstvenik je zavrnil prvo predpostavko, ker je v nasprotju s temeljnimi fizikalnimi zakoni, zato je sprejel drugo hipotezo. Chadwick je pokazal, da je sevanje v njegovih poskusih tvorjeno z delci z ničelnim nabojem, ki imajo močno prodorno moč. Poleg tega je lahko izmeril maso teh delcev in ugotovil, da je nekoliko večji kot proton.

Počasni in hitri nevtroni

Odvisno od energije, ki jo ima nevtron, se imenuje počasna (okoli 0,01 MeV) ali hitra (približno 1 MeV). Takšna klasifikacija je pomembna, ker so nekatere njene lastnosti odvisne od hitrosti nevtrona. Predvsem so hitri nevtroni dobro zajeti z jedri, ki vodijo v tvorbo njihovih izotopov in povzročajo njihovo fisijo. Počasne nevtrone so slabo zajete z jedri skoraj vseh materialov, zato lahko z lahkoto preidejo skozi debele plasti snovi.

Vloga nevtrona v cepitvi urana

Če se sprašujete, kaj je nevtron v jedrski energiji, lahko rečemo, da je to sredstvo za induciranje cepitvenega procesa jedra urana, ki ga spremlja sproščanje visoke energije. V tej reakciji fisije nastajajo tudi nevtroni različnih hitrosti. Izdelani nevtroni pa povzročijo razpad drugih jeder urana in reakcija poteka verižno.

Če je fisijska reakcija urana nekontrolirana, bo to povzročilo eksplozijo reakcijskega volumna. Ta učinek se uporablja v jedrske bombe. Kontrolirana reakcija fisije urana je vir energije v jedrskih elektrarnah.