nøytron

Atomkjerner er bygget opp av protoner og nøytroner. Disse partiklene kalles med et fellesnavn for nukleoner.

I et gitt grunnstoff er antallet protoner entydig bestemt. Derimot kan antall nøytroner i atomkjernen til et grunnstoff variere. Det gir opphav til varianter av grunnstoffet som kalles for isotoper. Disse variantene av grunnstoffet kan ha ulike fysiske egenskaper med hensyn til for eksempel radioaktivitet. Nøytroner er dermed viktige for å bestemme noen av de fysiske egenskapene til ulike grunnstoffer.

Nøytroner brukes i forskning for å avdekke fysiske og kjemiske egenskaper til forskjellige materialer.

En vanlig eksperimentell teknikk innen forskning på faste stoffer er nøytronspredning. En stråle med nøytroner kan sendes mot et materiale, hvilket fører til at nøytronene spres til andre retninger enn den opprinnelige stråleretningen. Årsaken er at nøytronene spres på atomkjernene. Dette skjer til tross for at nøytroner ikke har elektrisk ladning og skyldes primært såkalt sterk vekselvirkning.

Det at nøytronene ikke har elektrisk ladning gjør at de ikke vekselvirker i nevneverdig grad med elektroner i materialer. Det betyr at nøytroner istedet kan gi informasjon om selve krystallstrukturen som atomkjernene utgjør. Spredning av nøytroner på materialer gir også informasjon om fononer.

Nøytronets masse er 1.67492·10^-27 kg, hvilket er litt tyngre enn et proton. Nøytroner har også en intern dreieimpuls som kalles spinn. Spinnet har en endelig verdi selv uten at nøytroner beveger seg, og verdien til spinnet er ½ℏ hvor ℏ er Plancks konstant h dividert med 2π.

Selv om nøytroner er elektrisk nøytrale, har de et magnetisk moment på ca 1.041·10^-3μ_B hvor μ_B er en Bohrmagneton. Dette viser at nøytroner har en elektromagnetisk struktur på grunn av en ladningsfordeling internt i nøytronet, selv om nettoladningen er null. Forklaringen på dette er at nøytronet består av tre kvarker, som alle er elektrisk ladde. Et nøytron består av en opp-kvark og to ned-kvarker.

Nøytronet må ifølge standardmodellen for partikkelfysikk også ha et endelig, men svært lite elektrisk dipolmoment på grunn av brudd på CP-symmetri.

Antipartikkelen til et nøytron er et antinøytron. Massen og spinnet til et antinøytron er likt som for et nøytron. Derimot er det magnetiske momentet motsatt av et nøytron. Det er fordi kvarkene i et nøytron er antikvarker i et antinøytron, og disse elementærpartiklene avgjør den elektromagnetiske strukturen til antinøytronet.

Siden både antinøytroner og nøytroner er elektrisk nøytrale, er de vanskeligere å måle eksperimentelt enn for eksempel elektroner og protoner.

Et fritt nøytron er radioaktivt med halveringstid på ca 15 minutter. Det henfaller til et proton, et elektron og et antinøytrino ved prosessen beta-desintegrasjon. Det betyr at frie nøytroner ikke er stabile partikler, siden de eksisterer i gjennomsnitt 15 minutter før de henfaller. Nøytroner som er bundet til atomkjerner, kan likevel være stabile dersom det ikke er nok energi til at de kan henfalle.

Lette atomkjerner inneholder omtrent like mange nøytroner og protoner. Tunge kjerner har et stort overskudd av nøytroner.

Atomkjerner kan fange inn nøytroner og blir da som regel radioaktive. Enkelte tunge (fissile) kjerner vil etter å ha fanget inn et nøytron straks spaltes i to omtrent like tunge deler. Samtidig frigjøres noen få nøytroner som kan fanges inn av andre fissile kjerner, slik at det oppstår en kjedereaksjon. Dette prinsippet ligger til grunn for frigjøring av kjernefysisk energi ved fisjon.

Fordi nøytronene ikke har elektrisk ladning, påvirkes de lite av atomenes elektroner. De har stor gjennomtrengningsevne i alt stoff. Apparater som produserer nøytroner, må derfor skjermes med tykke vegger, opptil flere meter betong.

En nøytronstjerne er den gjenværende kjernen av en stor stjerne som har kollapset på grunn av sin egen gravitasjonskraft. Stjernen komprimeres helt til at en ekstremt høyt massetetthet oppstår hvor nøytronene til slutt er så tett pakket sammen at videre kollaps ikke er mulig.

Av alle kjente kosmiske legemer, er det kun svarte hull som har høyere massetetthet enn nøytronstjerner.

Biologiske skadevirkninger oppstår når nøytroner støter mot en enkel atomkjerne i et molekyl. Dels fordi molekylet ødelegges, og dels fordi det induseres radioaktiv stråling som virker på omgivelsene. Nøytronstråling er derfor svært helsefarlig.

På grunn av at nøytroner vil kunne ødelegge biologisk vev, har man forsket på bruke nøytroner til å ødelegge kreftsvulster. Den største utfordringen med dette er å forhindre nøytronene fra å samtidig ødelegge friskt vev i nærheten av kreftsvulsten. En måte å løse denne utfordringen på består i å gi pasienten en bor-basert medisin som fører til at bor samler seg opp i svulsten. Når pasienten deretter blir bestrålt med nøytroner vil disse bli absorbert av kreftsvulsten i større grad enn det nærliggende friske vevet.

Nøytronet ble eksperimentelt oppdaget av James Chadwick i 1932. Før oppdagelsen ble atomer stort sett ansett som å bestå av en positiv atomkjerne omgitt av elektroner med like stor total negativ ladning som den positive ladningen til atomkjernen.

Eksperimentet til Chadwick bestod av å bestråle beryllium med alfapartikler og studere strålingen som oppstod som følge av dette. Strålingen ble analysert ved å studere hvordan den førte til at protoner i et annet materiale som strålingen traff, slik som helium og nitrogen, ble sendt ut fra materialet. Ved å studere de utsendte protonene, klarte Chadwick å vise at strålingen som var ansvarlig for dette måtte bestå av elektrisk nøytrale partikler med litt større masse enn protoner – det vil si nøytroner.

For sin oppdagelse ble Chadwick tildelt Nobelprisen i fysikk i 1935.

• kjernefysikk
• atom
• nukleon
• proton