Какво е неутрон във физиката: структурата, свойствата и употребата

Какво е неутрон? Подобен въпрос най-често възниква при хора, които не се занимават с ядрена физика, защото неутронът в него се разбира като елементарна частица, която няма електрически заряд и има маса, която е 1838,4 пъти по-голяма от електронната. Заедно с протон, чиято маса е малко по-малка от масата на неутрон, той е „тухла“ на атомното ядро. При физиката на елементарните частици, неутрон и протон разчитат на две различни форми на единична частица - нуклона.

Неутронна структура

Неутронът присъства в атомното ядро ​​за всеки химичен елемент, единственото изключение е водороден атом, чието ядро ​​е единичен протон. Какво е неутрон, каква структура има? Въпреки че се нарича елементарна "тухла" на ядрото, тя все още има своя собствена вътрешна структура. По-специално, той принадлежи към барионното семейство и се състои от три кварка, два от които са кварки от по-нисък тип, а една от тях е горната. Всички кварки имат дробно електрически заряд: отгоре положително заредена (+2/3 от електронен заряд), долната е отрицателна (-1/3 от електронния заряд). Ето защо неутронът няма електрически заряд, защото той просто се компенсира от кварките, които го съставят. Неутронният магнитен момент обаче не е нулев.

В състава на неутрона, чието определение е дадено по-горе, всеки кварк е свързан с останалото с помощта на глюонно поле. Глуонът е частицата, отговорна за образуването на ядрени сили.

В допълнение към масата в килограми и атомните масови единици, в ядрената физика, масата на частиците също е описана в GeV (giga-electronvolts). Това стана възможно, след като Айнщайн откри известното си уравнение E = mc ² , което свързва енергията с масата. Какво представлява неутрона в GeV? Това е стойността 0,0009396, която е малко по-голяма от протона (0,0009383).

Устойчивост на неутронните и атомните ядра

Наличието на неутрони в атомните ядра е много важно за тяхната стабилност и възможността за съществуването на самата атомна структура и веществото като цяло. Факт е, че протоните, които също съставляват атомното ядро, имат положителен заряд. И сближаването им на къси разстояния изисква огромни енергии, дължащи се на кулоновското електрическо отблъскване. Ядрените сили, действащи между неутроните и протоните, са с 2-3 порядъка по-силни от кулоновите. Следователно, те са в състояние да поддържат положително заредени частици на близко разстояние. Ядрените взаимодействия са краткосрочни и се проявяват само в рамките на размера на ядрото.

Формулата на неутроните се използва за намиране на техния брой в ядрото. Изглежда така: брой неутрони = атомна маса на елемента - атомен номер в периодичната таблица.

Свободният неутрон е нестабилна частица. Средното време на живота му е 15 минути, след което се разпада на три частици:

• електрон;
• протон;
• антинеутрино.

Предпоставки за откриването на неутрон

Теоретичното съществуване на неутрон във физиката бе предложено още през 1920 година Ърнест Ръдърфорд които се опитаха да обяснят защо атомните ядра не се разпадат поради електромагнитно отблъскване на протоните.

Още по-рано, през 1909 г. в Германия, Bothe и Becker установяват, че ако високоенергийните алфа частици от полоний излъчват леки елементи като берилий, бор или литий, тогава се генерира радиация, която преминава през всякаква дебелина на различни материали. Те го предложиха гама радиация, но такава радиация, известна по това време, не притежаваше толкова голяма проникваща сила. Експериментите на Боте и Бекер не бяха тълкувани правилно.

Откриване на неутрони

Съществуването на неутрона е открито от английския физик Джеймс Чадуик през 1932 година. Той изучава радиоактивното излъчване на берилий, провежда серия от експерименти, като получава резултати, които не съвпадат с тези, предсказани с физични формули: енергията на радиоактивното лъчение далеч надвишава теоретичните стойности и законът за запазване на инерцията също е нарушен. Следователно е необходимо да се приеме една от хипотезите:

1. Или моментният импулс не се запазва по време на ядрените процеси.
2. Или радиоактивното лъчение се състои от частици.

Ученият отхвърли първото предположение, защото противоречи на фундаменталните физически закони, затова прие втората хипотеза. Чадуик показа, че радиацията в неговите експерименти се формира от частици с нулев заряд, които имат силна проникваща сила. Освен това той е в състояние да измери масата на тези частици, като установи, че е малко по-голям от този на протон.

Бавни и бързи неутрони

В зависимост от енергията, която има неутрона, тя се нарича бавна (около 0.01 MeV) или бърза (около 1 MeV). Такава класификация е важна, защото някои от нейните свойства зависят от скоростта на неутрон. По-специално, бързите неутрони са добре уловени от ядрата, което води до образуването на техните изотопи и причиняват тяхното делене. Бавните неутрони са слабо заловени от ядрата на почти всички материали, така че лесно могат да преминат през дебели слоеве на материята.

Ролята на неутрона в деленето на уран

Ако се запитате какво е неутрон в ядрената енергия, то е безопасно да се каже, че той е средство за предизвикване на процеса на делене на ядрото на урана, придружен от освобождаването на висока енергия. По време на тази реакция на делене се генерират и неутрони с различни скорости. От своя страна, произведените неутрони индуцират разпадането на други ядра на урана и реакцията протича по верижен път.

Ако реакцията на делене на уран е неконтролирана, това ще доведе до експлозия на реакционния обем. Този ефект се използва в ядрени бомби. Контролираната реакция на делене на урана е източник на енергия в атомните електроцентрали.