Što je neutron u fizici: struktura, svojstva i upotreba

Što je neutron? Takvo se pitanje najčešće javlja kod ljudi koji se ne bave nuklearnom fizikom, jer se neutron u njemu shvaća kao elementarna čestica, koja nema električni naboj i ima masu koja je 1838,4 puta veća od elektrona. Zajedno s protonom, čija je masa nešto manja od mase neutrona, ona je „cigla“ atomske jezgre. U fizici elementarnih čestica, neutron i proton se oslanjaju na dva različita oblika jedne čestice, nukleon.

Neutronska struktura

Neutron je prisutan u atomskoj jezgri za svaki kemijski element, jedina iznimka je atom vodika, čija je jezgra jedan proton. Što je neutron, kakva struktura ima? Iako se naziva elementarna "cigla" jezgre, ona još uvijek ima svoju unutarnju strukturu. Posebno pripada baryonskoj obitelji i sastoji se od tri kvarkova, od kojih su dva kvarkovi nižeg tipa, a jedan od njih je gornji. Svi kvarkovi imaju djelomičan električni naboj: vrh pozitivno napunjen (+2/3 od naboja elektrona), donji je negativan (-1/3 elektronskog naboja). Zato neutron nema električni naboj, jer ga jednostavno kompenziraju kvarkovi koji to čine. Međutim, neutronski magnetski moment nije nula.

U sastavu neutrona, čija je definicija dana gore, svaki kvark je povezan s ostatkom uz pomoć gluonskog polja. Gluon je čestica odgovorna za stvaranje nuklearnih sila.

Osim mase u kilogramima i jedinicama atomske mase, u nuklearnoj fizici masa čestica je također opisana u GeV (giga-elektronvolti). To je postalo moguće nakon što je Einstein otkrio svoju slavnu jednadžbu E = mc ² , koja povezuje energiju s masom. Što je neutron u GeV? To je vrijednost 0,0009396, koja je nešto veća od protona (0,0009383).

Stabilnost neutronskih i atomskih jezgri

Prisutnost neutrona u atomskim jezgrama vrlo je važna za njihovu stabilnost i mogućnost postojanja same atomske strukture i tvari kao cjeline. Činjenica je da protoni, koji također čine atomsku jezgru, imaju pozitivan naboj. I približiti ih na kratke udaljenosti zahtijeva ogromne energije zbog Coulombovog električnog odbijanja. Nuklearne sile koje djeluju između neutrona i protona su 2-3 reda veličine jače od kulunskih. Stoga su sposobni zadržati pozitivno nabijene čestice na bliskim udaljenostima. Nuklearne interakcije su kratkog dometa i manifestiraju se samo unutar veličine jezgre.

Formula neutrona se koristi za pronalaženje njihovog broja u jezgri. Izgleda ovako: broj neutrona = atomska masa elementa - atomski broj u periodnom sustavu.

Slobodni neutron je nestabilna čestica. Prosječno vrijeme njegova života je 15 minuta, nakon čega se raspada u tri čestice:

• elektron;
• proton;
• antineutrin.

Preduvjeti za otkrivanje neutrona

Teoretsko postojanje neutrona u fizici predloženo je još 1920. godine Ernest Rutherford koji su na taj način pokušali objasniti zašto se atomske jezgre ne raspadaju zbog elektromagnetskog odbijanja protona.

Još ranije, 1909. u Njemačkoj, Bothe i Becker su otkrili da ako visokoenergetske alfa čestice polonija ozračuju svjetlosne elemente, kao što su berilij, bor ili litij, tada se generira zračenje koje prolazi kroz bilo koju debljinu različitih materijala. Predložili su to gama zračenje, međutim, takvo zračenje koje je tada bilo poznato nije imalo tako veliku moć prodiranja. Eksperimenti Bothea i Beckera nisu pravilno protumačeni.

Neutronsko otkriće

Postojanje neutrona otkrio je engleski fizičar James Chadwick 1932. godine. Proučavao je radioaktivno zračenje berilija, proveo niz eksperimenata i dobio rezultate koji se nisu podudarali s onima predviđenim fizikalnim formulama: energija radioaktivnog zračenja daleko je premašila teoretske vrijednosti, a također je prekršen i zakon očuvanja gibanja. Stoga je bilo potrebno prihvatiti jednu od hipoteza:

1. Ili kutni moment nije očuvan tijekom nuklearnih procesa.
2. Ili se radioaktivno zračenje sastoji od čestica.

Znanstvenik je odbacio prvu pretpostavku jer je u suprotnosti s temeljnim fizičkim zakonima, pa je prihvatio drugu hipotezu. Chadwick je pokazao da zračenje u njegovim eksperimentima čine čestice s nultim nabojem, koje imaju jaku prodornu moć. Osim toga, mogao je izmjeriti masu tih čestica, otkrivajući da je ona nešto veća od protona.

Spori i brzi neutroni

Ovisno o energiji koju ima neutron, ona se naziva spora (oko 0.01 MeV) ili brza (oko 1 MeV). Takva klasifikacija je važna jer neka od njegovih svojstava ovise o brzini neutrona. Posebno, brzi neutroni dobro su uhvaćeni jezgrama, što dovodi do stvaranja njihovih izotopa i uzrokuje njihovu fisiju. Spori neutroni slabo su zahvaćeni jezgrom gotovo svih materijala, pa lako mogu proći kroz debele slojeve tvari.

Uloga neutrona u fisiji urana

Ako se zapitate što je neutron u nuklearnoj energiji, onda se može sa sigurnošću reći da je sredstvo za poticanje procesa fisije jezgre uranija, praćeno otpuštanjem visoke energije. Tijekom ove reakcije fisije generiraju se i neutroni različitih brzina. S druge strane, proizvedeni neutroni induciraju propadanje drugih jezgri urana, a reakcija se odvija lančano.

Ako je reakcija fisije uranija nekontrolirana, to će dovesti do eksplozije volumena reakcije. Ovaj se učinak koristi u nuklearne bombe. Kontrolirana reakcija fisije urana je izvor energije u nuklearnim elektranama.