Нэўтрон

Нэўтрон — гэта субатамная часьцінка, якая не валодае электрычным зарадам і мае масу, крыху большую за масу пратона.

Кваркавая структура нэўтрона

Ядры ўсіх атамаў складаюцца з пратонаў і нэўтронаў, якія маюць агульную назву — нуклёны. Колькасьць пратонаў у ядры вызначае атамны нумар, а значыць і хімічны элемэнт. Колькасьць нэўтронаў вызначае ізатоп хімічнага элемэнту. Напрыклад, вуглярод-12 мае 6 пратонаў і 6 нэўтронаў, у той час як вуглярод-14 мае 6 пратонаў і 8 нэўтронаў.

Нэўтрон складаецца з двух ніжніх кваркаў і аднаго верхняга кварка, і таму ён зьяўляецца барыёнам і мае сьпін ½. Маса нэўтрона складае 939,573 МэВ, альбо 1,008664915 (78) а.а.м., альбо 1,6749 × 10⁻²⁷ кг. Антычасьцінкай нэўтрона зьяўляецца антынэўтрон.

Стабільнасьць нэўтрона і бэта-распад

Дыяграма Фэйнмана працэсу нэўтроннага бэта распаду

Калі нэўтрон знаходзіцца па-за межамі ядра (вольны нэўтрон), ён зьяўляецца нестабільным і ягоны час жыцьця складае 885,7±0,8 сэкунд (каля 15 хвілін), пры гэтым, каб стаць пратонам, нэўтрон выпускае электрон і антынэўтрына: ${\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{\mathrm {e} }$. Гэты від распаду, вядомы як бэта-распад, магчымы таксама і для нэўтрона, што знаходзіцца ўнутры нестабільных ядраў.

Пратоны, што ўтрымліваюцца ўнутры ядра, таксама могуць трансфармавацца ў нэўтроны шляхам бэта-распаду. У гэтым выпадку, ператварэньне суправаджаецца эмісіяй пазытрона (антыэлектрона) і нэўтрына (замест антынэўтрына): ${\hbox{p}}\to {\hbox{n}}+{\hbox{e}}^{+}+{\nu }_{\mathrm {e} }$. Ператварэньне пратона ў нэўтрон унутры ядра магчымае і шляхам захопу электрона (электронны захоп): ${\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}\to {\hbox{n}}+{\nu }_{\mathrm {e} }$ . Захоп нэўтронам пазытрона ў ядрах (пазытронны захоп), што маюць залішнія нэўтроны, таксама магчымы, аднак малаверагодны, бо пазытроны адштурхоўваюцца ядрамі, і, больш таго, хутка анігілююць, калі сустракаюць адмоўныя электроны.

Калі нэўтроны ўтрымліваюцца ўнутры ядра, няўстойлівасьць асобнага нэўтрона балянсуецца няўстойлівасьцю, якой будзе валодаць атам у цэлым, калі ўзьнікне дадатковы пратон, які ўступіць ва ўзаемадзеяньне адштурхваньня зь іншымі пратонамі, якія ўжо існавалі ў ядры. Таму, калі вольныя нэўтроны зьяўляюцца нестабільнымі, зьвязаныя нэўтроны неабавязкова зьяўляюцца няўстойлівымі. Аналягічным чынам можна растлумачыць, чаму пратоны, якія зьяўляюцца стабільнымі ў пустой прасторы, могуць ператварацца ў нэўтроны, калі знаходзяцца ў ядры.

Бэта-распад і электронны захоп зьяўляюцца тыпамі радыяактыўнага распаду і абодва адбываюцца дзякуючы слабому ўзаемадзеяньню.

Узаемадзеяньне

Нэўтрон падвержаны да ўсіх чатырох тыпаў фундамэнтальных узаемадзеяньняў: электрамагнітнага, слабога, моцнага і гравітацыйнага ўзаемадзеяньняў.

Нягледзячы на тое, што нэўтрон мае нулявы электрычны зарад, ён можа ўступаць у электрамагнітнае ўзаемадзеяньне двума шляхамі: па-першае, нэўтрон валодае магнітным момантам, такім жа па велічыні, як і пратон; па-другое, нэўтрон складаецца з элекрычна зараджаных кваркаў. Так, электрамагнітнае ўзаемадзеяньне зьяўляецца дамінуючым для нэўтрона падчас глыбокага няпругкага расьсейваньня і магнітных узаемадзеяньняў.

Нэўтрон зьведвае слабое ўзаемадзеяньне падчас бэта-распаду ў пратон, электрон і антынэўтрына. Ён зьведвае гравітацыйныя сілы як і любое энэргетычнае цела, аднак гравітацыя настолькі слабая, што ёй можна грэбаваць падчас экспэрымэнтаў па фізыцы часьцінак.

Найбольш выжным для нэўтрона зьяўляецца моцнае ўзаемадзеяньне. Гэтае ўзаемадзеяньне адказвае за ўтрымліваньне трох кваркаў у асобнай часьцінцы. Рэшткавая моцная сіла адказная за ўтрымліваньне нэўтронаў і пратонаў разам у ядрах. Гэтая ядзерная сіла адыгрывае першарадную ролю, калі нэўтроны прапускаюцца праз матэрыю. У адрозьненьне ад зараджаных часьцінак альбо фатонаў, нэўтрон ня можа губляць энэргію дзякуючы іянізацыі атамаў. Наадварот, нэўтрон бесьперашкодна рухаецца да лабавога сутыкненьня з атамным ядром. З-за гэтага нэўтроннае выпраменьваньне зьяўляецца надзвычайна пранікальным.

Рэгістрацыя

Агульныя спосабы рэгістрацыі зараджаных часьцінак, калі глядзець сьлед іянізацыі (напрыклад у камэры Вільсана) не падыходзяць для нэўтронаў наўпрост. Нэўтроны, што пругка расьсейваюцца на атамах, могуць пакідаць іянізацыйны сьлед, які можна зарэгістраваць, але ня так проста ажыцьцявіць такі экспэрымэнт; звычайна выкарыстоўваюць іншыя мэтады рэгістрацыі нэўтронаў, яны заснаваныя на ўзаемадзеяньні нэўтронаў з атамнымі ядрамі.

Агульны мэтад рэгістрацыі нэўтронаў заключаецца ў ператварэньні выдзеленай падчас рэакцый энэргіі ў электрычныя сыгналы. Для такой мэты карыснымі зьяўляюцца ізатопы ³He, ⁶Li, ¹⁰B, ²³³U, ²³⁵U, ²³⁷Np і ²³⁹Pu.

Выкарыстаньне

Нэўтроны адыгрываюць важную ролю ў шматлікіх ядзерных рэакцыях. Напрыклад, нэўтронны захоп часта прыводзіць да нэўтроннага ўзбуджэньня, выклікаючы радыяактыўнасьць. У прыватнасьці, веды пра нэўтроны і іх паводзіны важныя пры распрацоўцы ядзерных рэактараў і ядзернай зброі.