Нейтрон

Дагледжаная версія гэтай старонкі, зацверджаная 10 ліпеня 2021, была заснавана на гэтай версіі.

Нейтрон — гэта субатамная часціца, якая не мае электрычнага зарада, а маса крыху большая за масу пратона.

Ядры ўсіх атамаў складаюцца з пратонаў і нейтронаў, якія маюць агульную назву — нуклоны. Колькасць пратонаў у ядры вызначае атамны нумар, а значыць і хімічны элемент. Колькасць нейтронаў вызначае ізатоп хімічнага элемента. Напрыклад, вуглярод-12 мае 6 пратонаў і 6 нейтронаў, у той час як вуглярод-14 мае 6 пратонаў і 8 нейтронаў.

Нейтрон складаецца з двух ніжніх кваркаў і аднаго верхняга кварка, і таму ён з'яўляецца барыёнам і мае спін ½. Маса нейтрона складае 939.573 МэВ, альбо 1.008 664 915 (78) а.а.м., альбо 1.6749 × 10⁻²⁷ кг. Антычасціцай нейтрона з'яўляецца антынейтрон.

Стабільнасць нейтрона і бэта-распад

Дыяграма Фейнмана працэсу нейтроннага бэта распаду

Калі нейтрон знаходзіцца па-за межамі ядра (свабодны нейтрон), ён з'яўляецца нестабільным і яго час жыцця складае 885.7±0.8 секунд (каля 15 хвілін), пры гэтым, каб стаць пратонам, нейтрон выпускае электрон і антынейтрына: ${\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{\mathrm {e} }$ . Гэты від распаду, вядомы як бэта-распад, магчымы таксама і для нейтрона, што знаходзіцца ўнутры нестабільных ядраў.

Пратоны, што ўтрымліваюцца ўнутры ядра, таксама могуць трансфармавацца ў нейтроны шляхам бэта-распаду. У гэтым выпадку, ператварэнне суправаджаецца эмісіяй пазітрона (антыэлектрона) і нейтрына (замест антынейтрына): ${\hbox{p}}\to {\hbox{n}}+{\hbox{e}}^{+}+{\nu }_{\mathrm {e} }$ . Ператварэнне пратона ў нейтрон унутры ядра магчымае і шляхам захопу электрона (электронны захоп): ${\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}\to {\hbox{n}}+{\nu }_{\mathrm {e} }$ . Захоп нейтронам пазітрона ў ядрах (пазітронны захоп), што маюць залішнія нейтроны, таксама магчымы, аднак малаверагодны, бо пазітроны адштурхоўваюцца ядрамі, і, больш таго, хутка анігілююць, калі сустракаюць адмоўныя электроны.

Калі нейтроны ўтрымліваюцца ўнутры ядра, няўстойлівасць асобнага нейтрона ўраўнаважваецца няўстойлівасцю, якой будзе валодаць атам у цэлым, калі ўзнікне дадатковы пратон, які ўступіць ва ўзаемадзеянне адштурхвання з іншымі пратонамі, якія ўжо існавалі ў ядры. Таму, калі свабодныя нейтроны з'яўляюцца нестабільнымі, звязаныя нейтроны неабавязкова з'яўляюцца няўстойлівымі. Аналагічным чынам можна растлумачыць, чаму пратоны, якія з'яўляюцца стабільнымі ў пустой прасторы, могуць ператварацца ў нейтроны, калі знаходзяцца ў ядры.

Бэта-распад і электронны захоп з'яўляюцца тыпамі радыеактыўнага распаду і абодва адбываюцца дзякуючы слабаму ўзаемадзеянню.

Узаемадзеянне

Нейтрон удзельнічае ва ўсіх чатырох тыпах фундаментальных узаемадзеянняў: электрамагнітным, слабым, моцным і гравітацыйным ўзаемадзеяннях.

Нягледзячы на тое, што нейтрон мае нулявы электрычны зарад, ён можа ўступаць у электрамагнітнае ўзаемадзеянне дзвюма шляхамі: па-першае, нейтрон валодае магнітным момантам, такім жа па велічыні, як і ў пратона; па-другое, нейтрон складаецца з элекрычна зараджаных кваркаў. Так, электрамагнітнае ўзаемадзеянне з'яўляецца дамінуючым для нейтрона падчас глыбокага няпругкага рассейвання і магнітных узаемадзеянняў.

Нейтрон удзельнічае ў слабым узаемадзеянні падчас бэта-распаду ў пратон, электрон і антынейтрына. Гравітацыя дзейнічае на нейтрон, як і на любое энергетычнае цела, аднак гравітацыя настолькі слабая, што яе можна не ўлічваць пры эксперыментах па фізіцы часціц.

Самым значным для нейтрона з'яўляецца моцнае ўзаемадзеянне. Гэтае ўзаемадзеянне адказвае за ўтрымліванне трох кваркаў у асобнай часціцы. Рэшткавая моцная сіла адказная за ўтрымліванне нейтронаў і пратонаў разам у ядрах. Гэтая ядзерная сіла адыгрывае першарадную ролю, калі нейтроны праходзяць праз матэрыю. У адрозненне ад зараджаных часціц альбо фатонаў, нейтрон не можа губляць энергію дзякуючы іанізацыі атамаў. Наадварот, нейтрон бесперашкодна рухаецца да лабавога сутыкнення з атамным ядром. З-за гэтага нейтроннае выпраменьванне з'яўляецца надзвычайна пранікальным.

Рэгістрацыя

Агульныя спосабы рэгістрацыі зараджаных часціц, калі глядзець след іанізацыі (напрыклад у камеры Вільсана) не падыходзяць для нейтронаў напрамую. Нейтроны, што пругка рассейваюцца на атамах, могуць пакідаць іанізацыйны след, які можна зарэгістраваць, але не так проста ажыццявіць такі эксперымент; звычайна выкарыстоўваюць іншыя метады рэгістрацыі нейтронаў, яны заснаваныя на ўзаемадзеянні нейтронаў з атамнымі ядрамі.

Агульны метад рэгістрацыі нейтронаў заключаецца ў ператварэнні выдзеленай падчас рэакцый энергіі ў электрычныя сігналы. Для такой мэты карыснымі з'яўляюцца ізатопы ³He, ⁶Li, ¹⁰B, ²³³U, ²³⁵U, ²³⁷Np і ²³⁹Pu.

Выкарыстанне

Нейтроны адыгрываюць важную ролю ў многіх ядзерных рэакцыях. Напрыклад, нейтронны захоп часта прыводзіць да нейтроннага ўзбуджэння, выклікаючы радыеактыўнасць. У прыватнасці, веды пра нейтроны і іх паводзіны важныя пры распрацоўцы ядзерных рэактараў і ядзернай зброі.

Спасылкі

На Вікісховішчы ёсць медыяфайлы па тэме Нейтрон
Эксперыментальныя ўласцівасці нейтронаў (сайт Particle Data Group, англ.).
CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants (2010).