NEUTRONI
Neutron

Neutron- neutraali hiukkanen, joka kuuluu baryonien luokkaan. Yhdessä protonin kanssa neutroni muodostaa atomiytimiä. Neutronimassa on mn = 938,57 MeV / s 2 ≈ 1,675 · 10 -24 g Neutronin, kuten protonin, spin on 1 / 2ћ ja se on fermioni .. Sillä on myös magneettinen momentti μ n = - 1,91 μ N, jossa μ N = е ћ / 2m рс - ydinmagnetoni (m р - protonin massa, käytetään Gaussin yksikköjärjestelmää). Neutronin koko on noin 10 -13 cm, se koostuu kolmesta kvarkista: yhdestä u-kvarkista ja kahdesta d-kvarkista, ts. sen kvarkkirakenne on udd.
Baryonina neutronin baryoniluku B = +1. Neutroni on epävakaa vapaassa tilassa. Koska se on jonkin verran raskaampaa kuin protoni (0,14 %), se hajoaa protonin muodostuessa lopullisessa tilassa. Tässä tapauksessa baryoniluvun säilymislakia ei rikota, koska myös protonin baryoniluku on +1. Tämän hajoamisen seurauksena muodostuu myös elektroni e - ja elektroni antineutrino e. Hajoaminen tapahtuu heikon vuorovaikutuksen vuoksi.

Vaimenemiskaavio n → p + e - + e.

Vapaan neutronin elinikä on τ n ≈ 890 s. Atomiytimessä neutroni voi olla yhtä stabiili kuin protoni.
Neutroni, joka on hadron, osallistuu vahvaan vuorovaikutukseen.
J. Chadwick löysi neutronin vuonna 1932.

Mikä on neutroni fysiikassa. Sen vahva, samoin kuin tärkeä rooli atomiytimen vakaudessa. Neutronien löytämisen historia. Nopeiden ja hitaiden neutronien ominaisuudet...

Mikä on neutroni fysiikassa: rakenne, ominaisuudet ja käyttö

Masterwebistä

Mikä on neutroni? Tämä kysymys herää useimmiten ihmisille, jotka eivät ole mukana ydinfysiikassa, koska neutronin alla ymmärretään siinä alkeishiukkanen, jolla ei ole sähkövarausta ja jonka massa on 1838,4 kertaa suurempi kuin elektronisen. Yhdessä protonin kanssa, jonka massa on hieman pienempi kuin neutronin massa, se on atomiytimen "rakennuspalikka". Alkuainehiukkasfysiikassa neutronin ja protonin oletetaan olevan yhden hiukkasen - nukleonin - kaksi eri muotoa.

Neutronin rakenne

Jokaisen kemiallisen alkuaineen atomiytimien koostumuksessa on neutroni, ainoa poikkeus on vetyatomi, jonka ydin on yksi protoni. Mikä on neutroni, mikä sen rakenne on? Vaikka sitä kutsutaan ytimen elementaariseksi "tiileksi", sillä on silti oma sisäinen rakenne. Erityisesti se kuuluu baryoniperheeseen ja koostuu kolmesta kvarkista, joista kaksi on down-tyypin kvarkkeja ja yksi up-tyyppisiä. Kaikilla kvarkeilla on murto-osainen sähkövaraus: ylempi on positiivisesti varautunut (+2/3 elektronivarauksesta) ja alempi negatiivinen (-1/3 elektronivarauksesta). Tästä syystä neutronilla ei ole sähkövarausta, koska sen muodostavat kvarkit yksinkertaisesti kompensoivat sen. Neutronin magneettinen momentti ei kuitenkaan ole nolla.

Neutronin koostumuksessa, jonka määritelmä on annettu edellä, jokainen kvarkki on yhdistetty muuhun gluonikentän avulla. Gluon on hiukkanen, joka on vastuussa ydinvoimien muodostumisesta.

Ydinfysiikassa hiukkasen massa kuvataan kilogrammoina ja atomimassayksiköinä ilmaistun massan lisäksi myös GeV:nä (gigaelektronivolteina). Tämä tuli mahdolliseksi sen jälkeen, kun Einstein löysi kuuluisan yhtälönsä E = mc2, joka yhdistää energian massaan. Mikä on neutroni GeV:ssä? Tämä on arvo 0,0009396, mikä on hieman korkeampi kuin protonilla (0,0009383).

Neutroni- ja atomiytimien stabiilius

Neutronien läsnäolo atomiytimissä on erittäin tärkeää niiden stabiiliudelle ja itse atomirakenteen ja aineen olemassaolon mahdollisuudelle. Tosiasia on, että protoneilla, jotka myös muodostavat atomiytimen, on positiivinen varaus. Ja niiden lähentyminen lähietäisyyksillä vaatii valtavien energioiden kuluttamista Coulombin sähköisen hylkimisen vuoksi. Neutronien ja protonien välillä vaikuttavat ydinvoimat ovat 2-3 suuruusluokkaa vahvemmat kuin Coulombin voimat. Siksi ne pystyvät pitämään positiivisesti varautuneita hiukkasia lähietäisyyksillä. Ydinvuorovaikutukset ovat lyhyen kantaman ja ilmenevät vain ytimen koon sisällä.

Neutronien kaavaa käytetään niiden määrän selvittämiseen ytimessä. Se näyttää tältä: neutronien lukumäärä = alkuaineen atomimassa - atomiluku jaksollisessa taulukossa.

Vapaa neutroni on epävakaa hiukkanen. Sen keskimääräinen käyttöikä on 15 minuuttia, minkä jälkeen se hajoaa kolmeen hiukkaseen:

• elektroni;
• protoni;
• antineutrino.

Edellytykset neutronin löytämiselle

Neutronin teoreettista olemassaoloa fysiikassa ehdotti jo vuonna 1920 Ernest Rutherford, joka yritti selittää, miksi atomiytimet eivät hajoa protonien sähkömagneettisen hylkimisen vuoksi.

Jo aikaisemmin, vuonna 1909 Saksassa, Bothe ja Becker totesivat, että jos kevyitä alkuaineita, kuten berylliumia, booria tai litiumia, säteilytetään poloniumista peräisin olevilla korkeaenergisilla alfahiukkasilla, muodostuu säteilyä, joka läpäisee minkä tahansa paksuuden eri materiaalit. He olettivat tämän säteilyn olevan gamma-säteilyä, mutta millään sellaisella tuolloin tunnetulla säteilyllä ei ollut niin suurta läpäisykykyä. Bothen ja Beckerin kokeita ei tulkittu oikein.

Neutronin löytö

Englantilainen fyysikko James Chadwick havaitsi neutronin olemassaolon vuonna 1932. Hän tutki berylliumin radioaktiivista säteilyä, suoritti sarjan kokeita saadakseen tuloksia, jotka eivät olleet yhtäpitäviä fysikaalisten kaavojen ennustamien kanssa: radioaktiivisen säteilyn energia oli paljon teoreettisia arvoja korkeampi ja liikemäärän säilymislaki oli myös rikottu. Siksi oli tarpeen hyväksyä yksi hypoteeseista:

1. Tai kulmamomentti ei säily ydinprosessien aikana.
2. Joko radioaktiivinen säteily koostuu hiukkasista.

Tiedemies hylkäsi ensimmäisen oletuksen, koska se on ristiriidassa fysiikan peruslakien kanssa, joten hän hyväksyi toisen hypoteesin. Chadwick osoitti, että hänen kokeissaan säteily muodostuu nollavaraisista hiukkasista, joilla on vahva läpäisykyky. Lisäksi hän pystyi mittaamaan näiden hiukkasten massan ja havaitsi, että se on hieman suurempi kuin protoni.

Hitaat ja nopeat neutronit

Neutronin energiasta riippuen sitä kutsutaan hitaaksi (noin 0,01 MeV) tai nopeaksi (noin 1 MeV). Tämä luokittelu on tärkeä, koska osa sen ominaisuuksista riippuu neutronin nopeudesta. Erityisesti nopeat neutronit vangitsevat hyvin ytimet, mikä johtaa niiden isotooppien muodostumiseen ja aiheuttaa niiden fission. Hitaat neutronit vangitsevat huonosti lähes kaikkien materiaalien ytimet, joten ne voivat kulkea vapaasti paksujen ainekerrosten läpi.

Neutronin rooli uraaniytimen fissiossa

Jos kysyt itseltäsi, mikä neutroni on ydinvoimassa, voimme sanoa varmuudella, että tämä on keino indusoida uraaniytimen fissioprosessi, johon liittyy korkean energian vapautuminen. Tämän fissioreaktion aikana syntyy myös erinopeuksisia neutroneja. Syntyneet neutronit puolestaan ​​indusoivat muiden uraaniytimien hajoamista ja reaktio etenee ketjumaisesti.

Jos uraanin fissioreaktio on hallitsematon, se johtaa reaktiotilavuuden räjähdykseen. Tätä vaikutusta käytetään ydinpommeissa. Uraanin hallittu fissioreaktio on energianlähde ydinvoimaloissa.

Kievyan street, 16 0016 Armenia, Jerevan +374 11 233 255

Neutron (englanniksi neutroni, latinan sanasta neuter - ei toinen eikä toinen; symboli n)

neutraali (ei sähkövarausta) alkuainehiukkanen spin 1/2 (Planckin vakion yksiköissä ħ ) ja massa, joka ylittää hieman protonimassan. Kaikki atomiytimet on rakennettu protoneista ja N. (Katso Nucleus atomic). N:n magneettinen momentti on suunnilleen yhtä suuri kuin kaksi ydinmagnetonia ja on negatiivinen, eli se on suunnattu vastapäätä mekaanista spin-kulmamomenttia. N. kuuluvat voimakkaasti vuorovaikutteisten hiukkasten (hadronien) luokkaan ja kuuluvat baryonien ryhmään, toisin sanoen niillä on erityinen sisäinen ominaisuus - baryonivaraus. , yhtä suuri kuin protonin (p), + 1. N. löysi vuonna 1932 englantilainen fyysikko J. Chadwick , joka totesi, että saksalaisten fyysikkojen W. Bothen ja G. Beckerin löytämä läpäisevä säteily, joka syntyy atomiytimien (erityisesti berylliumin) pommituksesta α-hiukkasilla, koostuu varautumattomista hiukkasista, joiden massa on lähellä atomiytimen massaa. protoni.

N. ovat stabiileja vain stabiilien atomiytimien koostumuksessa. Vapaa N. on epästabiili hiukkanen, joka hajoaa protoniksi, elektroniksi (e -) ja elektroniksi antineutriinoksi

N:n keskimääräinen käyttöikä. τ ≈ 16 min. Aineessa vapaata N:a on vielä vähemmän (tiheissä aineissa yksiköitä - satoja mikrosekuntia) johtuen niiden voimakkaasta imeytymisestä ytimiin. Siksi vapaita typpejä syntyy luonnossa tai niitä saadaan laboratoriossa vain ydinreaktioiden seurauksena (katso) . Vapaa N. puolestaan ​​kykenee olemaan vuorovaikutuksessa atomiytimien kanssa, raskaimpiin asti; häviäessään N. aiheuttaa yhden tai toisen ydinreaktion, josta raskaiden ytimien fissio on erityisen tärkeä, sekä N.:n säteilyn sieppaus, mikä joissakin tapauksissa johtaa radioaktiivisten isotooppien muodostumiseen. Neutronien suuri tehokkuus ydinreaktioiden suorittamisessa ja vuorovaikutuksen erityispiirteet erittäin hitaiden neutronien aineen kanssa (resonanssivaikutukset, diffraktiosironta kiteissä jne.) tekevät neutroneista erittäin tärkeän tutkimusvälineen ydin- ja kiinteän olomuodon fysiikassa. Käytännön sovelluksissa neutroneilla on keskeinen rooli ydinvoimassa (katso Ydinvoima) transuraanialkuaineiden ja radioaktiivisten isotooppien tuotannossa (keinotekoinen radioaktiivisuus), ja niitä käytetään myös laajasti kemiallisessa analyysissä (aktivaatioanalyysi) ja geologisessa etsinnässä (neutronien kirjaaminen). ).

Riippuen N:n energiasta, niiden ehdollinen luokitus valitaan: ultrakylmä N. (10 -7 asti ev), erittäin kylmä (10 -7 -10 -4 eV), kylmä (10 -4 -5․10 -3 ev), lämpö (5․10 -3 -0,5 eV), resonanssi (0,5-10 4 ev), keskitaso (10 4 - 10 5 ev), nopea (10 5 - 10 8 ev), paljon energiaa (10 8 - 10 10 ev) ja relativistinen (≥ 10 10 eV); kaikki N. energialla enintään 10 5 ev yhdistetään yleisnimellä Slow neutrons.

Neutronien perusominaisuudet

Paino... Tarkimmin määritetty määrä on N:n ja protonin massojen välinen ero: m n - m p= (1,29344 ± 0,00007) Mev, mitataan erilaisten ydinreaktioiden energiataseella. Vertaamalla tätä arvoa protonin massaan, se saadaan (energiayksiköissä)

m n= (939,5527 ± 0,0052) Mev;

se vastaa m n≈ 1,6 · 10 -24 G, tai m n≈ 1840 minä, missä minä - elektronin massa.

Spin ja tilastot. N:n spinin 1/2-arvon vahvistaa suuri joukko tosiasioita. Spin mitattiin suoraan kokeissa erittäin hitaiden neutronien säteen jakamisesta epähomogeenisessa magneettikentässä. Yleisessä tapauksessa säteen tulisi jakaa kahteen osaan J+ 1 erillinen palkki, missä J- spin N. Kokeessa havaittiin jakautumista kahdeksi säteeksi, josta se seuraa J= 1/2. Puolen kokonaisluvun spinin omaavana partikkelina N. noudattaa Fermi-Dirac-tilastoja (katso Fermi-Dirac-tilastot) (se on fermioni); itsenäisesti tämä määritettiin atomiytimien rakennetta koskevien kokeellisten tietojen perusteella (katso Ydinkuoret).

Neutronin sähkövaraus K= 0. Suorat mittaukset K N.-säteen taipuma vahvassa sähkökentässä osoittaa, että ainakin K e, missä e - alkeissähkövaraus ja epäsuorat mittaukset (perustuvat makroskooppisten kaasutilavuuksien sähköiseen neutraalisuuteen) antavat arvion K e.

Muut neutronin kvanttiluvut... Ominaisuuksissaan N. on hyvin lähellä protonia: n:llä ja p:llä on lähes samat massat, sama spin, ne pystyvät muuntumaan keskenään, esimerkiksi beetahajoamisprosesseissa a ; ne ilmenevät samalla tavalla vahvojen vuorovaikutusten aiheuttamissa prosesseissa (katso Vahvat vuorovaikutukset), erityisesti ydinvoimat , p-p, n-p ja n-n parien välillä vaikuttavat ovat samat (jos hiukkaset ovat vastaavasti samoissa tiloissa). Tällainen syvä samankaltaisuus mahdollistaa sen, että N:a ja protonia voidaan pitää yhtenä hiukkasena - nukleonina, joka voi olla kahdessa eri tilassa, jotka eroavat sähkövaraukseltaan K. Nukleoni tilassa K= + 1 on protoni, jossa K = 0 - H. Vastaavasti nukleonille määrätään (analogisesti tavallisen spinin kanssa) jokin sisäinen ominaisuus - isotoninen spin minä yhtä suuri kuin 1/2, jonka "projektio" voi kestää (kvanttimekaniikan yleisten sääntöjen mukaan) 2 minä+ 1 = 2 arvoa: + 1/2 ja - 1/2. Siten n ja p muodostavat isotooppisen dupletin (katso isotooppiinvarianssi) : nukleoni, joka on tilassa, jossa isotooppispin projektio kvantisointiakselille + 1/2 on protoni ja jonka projektio on -1/2 - H. Isotooppisen dupletin komponentteina N. ja protoni alkeishiukkasten nykyaikaiseen systematiikkaan, niillä on samat kvanttiluvut: baryonivaraus V= + 1, Lepton-varaus L = 0, Outoa S= 0 ja positiivinen sisäinen pariteetti. Nukleonien isotooppinen dupletti on osa laajempaa "samankaltaisten" hiukkasten ryhmää - niin sanottua baryonien oktettia, jossa on J = 1 / 2 ,V= 1 ja positiivinen sisäinen pariteetti; n:n ja p:n lisäksi tähän ryhmään kuuluvat Λ -, Σ ± -, Σ 0 -, Ξ - -, Ξ 0 - Hyperonit , eroavat n:stä ja p:stä omituisuudessa (katso Alkuainepartikkelit).

Neutronin magneettinen dipolimomentti, Ydinmagneettiresonanssikokeiden perusteella määritettynä on yhtä suuri kuin:

μ n = - (1,91315 ± 0,00007) μ i,

jossa μi = 5,05․10-24 erg / gs - ydinmagnetoni. Hiukkanen, jonka spin 1/2 kuvataan Diracin yhtälöllä m , Sen magneettisen momentin on oltava yhtä magnetoni, jos se on ladattu, ja nolla, jos se ei ole varautunut. Magneettisen momentin läsnäolo N:ssä sekä protonin magneettisen momentin poikkeava suuruus (μ p = 2,79 μ I) osoittaa, että näillä hiukkasilla on monimutkainen sisäinen rakenne, toisin sanoen niiden sisällä on sähkövirtoja ne, jotka luovat protonin ylimääräisen "poikkeavan" magneettisen momentin 1,79 μ I ja suunnilleen samansuuruiset ja vastakkaiset etumerkillä H. (-1,9 μ I) (katso alla).

Sähköinen dipolimomentti. Teoreettisesta näkökulmasta sähköinen dipolimomentti d minkä tahansa alkeishiukkasen on oltava yhtä suuri kuin nolla, jos alkuainehiukkasten vuorovaikutukset ovat muuttumattomia ajan käänteisen suhteen (katso Ajan kääntö) (T-invarianssi). Sähköisen dipolimomentin etsiminen alkeishiukkasista on yksi tämän teorian perusasennon kokeista, ja kaikista alkuainehiukkasista N. on sopivin hiukkanen tällaisille hauille. Kokeet magneettiresonanssimenetelmällä kylmällä neutronisäteellä ovat osoittaneet sen d n cm e. Tämä tarkoittaa vahvaa, sähkömagneettista ja heikkoa vuorovaikutusta suurella tarkkuudella T-invariantti.

Neutronien vuorovaikutus

N. osallistua kaikkiin tunnettuihin alkuainehiukkasten vuorovaikutuksiin - vahvoihin, sähkömagneettisiin, heikkoihin ja gravitaatioihin.

Voimakas neutronien vuorovaikutus... N. ja protoni osallistuvat vahvoihin vuorovaikutuksiin yksittäisen nukleonien isotooppisen dupletin komponentteina. Voimakkaiden vuorovaikutusten isotooppinen invarianssi johtaa tiettyyn suhteeseen erilaisten prosessien ominaisuuksien välillä, joissa protoni ja protoni osallistuvat, esimerkiksi teholliset poikkileikkaukset π + mesonin siroamiseksi protonille ja π - mesonille. protonilla ovat yhtä suuret, koska järjestelmillä π + p ja π - n on sama isotooppinen spin minä= 3/2 ja eroavat vain isotooppisen spin-projektion arvoista minä 3 (minä 3 = + 3/2 ensimmäisessä ja minä 3 = - 3/2 toisissa tapauksissa), samat poikkileikkaukset K+:n siroamiseksi protonilla ja K °:n H:lla jne. Tämänkaltaisen suhteen pätevyys on todistettu kokeellisesti useissa kokeissa korkeaenergisilla kiihdyttimillä. [Koska N:stä koostuvia kohteita ei ole, tiedot erilaisten epästabiilien hiukkasten vuorovaikutuksesta N:n kanssa saadaan pääasiassa kokeista, jotka koskevat näiden hiukkasten sirontaa deuteronilla (d), yksinkertaisimmalla ytimessä, joka sisältää N.]

Matalilla energioilla neutronien ja protonien todelliset vuorovaikutukset varautuneiden hiukkasten ja atomiytimien kanssa vaihtelevat suuresti protonissa olevan sähkövarauksen vuoksi, mikä aiheuttaa pitkän kantaman Coulomb-voimien olemassaolon protonin ja muiden varautuneiden hiukkasten välillä etäisyyksillä. jossa lyhyen kantaman ydinvoimat käytännössä puuttuvat. Jos protonin törmäysenergia protonin tai atomiytimen kanssa on pienempi kuin Coulombin esteen korkeus (joka raskaille ytimille on luokkaa 15 Mev), protonin sironta tapahtuu pääasiassa sähköstaattisten hylkimisvoimien vuoksi, jotka eivät salli hiukkasten lähestyä ydinvoimien vaikutussäteen suuruusluokkaa olevia etäisyyksiä. Sähkövarauksen puuttuminen N:ssä sallii sen tunkeutua atomien elektronikuorten läpi ja lähestyä vapaasti atomiytimiä. Juuri tämä määrittää verrattain pienten energioiden N:n ainutlaatuisen kyvyn aiheuttaa erilaisia ​​ydinreaktioita, mukaan lukien raskaiden ytimien fissioreaktio. Katso menetelmät ja tulokset N.:n vuorovaikutuksesta ytimien kanssa artikkeleista Slow neutrons, Neutron spectroscopy, Ytimen atomifissio , Hitaiden neutronien sironta protoneilla energioissa 15 asti Mev pallosymmetrinen massajärjestelmän keskellä. Tämä osoittaa, että sironta määräytyy vuorovaikutuksesta n - p suhteellisen liikkeen tilassa kiertoradan kulmamomentin kanssa l= 0 (ns S-Aalto). Hajaantuu sisään S-tila on spesifisesti kvanttimekaaninen ilmiö, jolla ei ole analogia klassisessa mekaniikassa. Se hallitsee sirontaa muissa tiloissa, kun de Broglien aallonpituus H.

suuruusluokkaa tai enemmän kuin ydinvoimien vaikutussäde ( ħ - Planckin vakio, v - N. nopeus). Koska energialla 10 Mev aallonpituus N.

Tämä protonien neutronien sironnan ominaisuus tällaisilla energioilla antaa suoraan tietoa ydinvoimien vaikutussäteen suuruusluokkasta. Teoreettinen analyysi osoittaa, että sironta sisään S-tila riippuu heikosti vuorovaikutuspotentiaalin yksityiskohtaisesta muodosta ja sitä kuvaa hyvällä tarkkuudella kaksi parametria: potentiaalin tehollinen säde r ja ns. sirontapituus a... Itse asiassa n - p -sironta kuvaamaan parametrien lukumäärä on kaksi kertaa suurempi, koska np-järjestelmä voi olla kahdessa tilassa, joilla on erilaiset kokonaisspin arvot: J= 1 (triplettitila) ja J= 0 (yksittäinen tila). Kokemus osoittaa, että vetyprotonin sirontapituudet ja teholliset vuorovaikutussäteet singletti- ja triplettitilassa ovat erilaisia, eli ydinvoimat riippuvat hiukkasten kokonaisspinistä. Kokeista seuraa myös, että sidottu tila np-järjestelmä (deuteriumydin) voi olla olemassa vain kun kokonaisspin on 1, kun taas singlettitilassa ydinvoimien suuruus ei riitä sidotun tilan N muodostumiseen. - protoni. Ydinsirontapituus singlettitilassa, määritetty protonien protonien (kaksi protonia vuonna S-tila, Paulin periaatteen mukaan y , voi olla vain tilassa, jossa kokonaisspin on nolla) on yhtä suuri kuin sirontapituus n-p singlettitilassa. Tämä on yhdenmukainen vahvojen vuorovaikutusten isotooppisen invarianssin kanssa. Kytketyn järjestelmän pr puuttuminen singlettitilassa ja ydinvoimien isotooppinen invarianssi johtavat siihen johtopäätökseen, että kahden neutronin kytkettyä järjestelmää - ns. bineutronia (samalla tavalla kuin protoneja, kaksi neutronia) ei voi olla olemassa. S-tilojen kokonaispyörityksen on oltava nolla). Suoria kokeita nn-sironnasta ei tehty neutronikohteiden puuttumisen vuoksi, mutta epäsuora data (ytimien ominaisuudet) ja suorempi data - tutkimus reaktioista 3 H + 3 H → 4 He + 2n, π - + d → 2n + γ - samaa mieltä ydinvoimien isotooppisen invarianssin ja bineutronin puuttumisen hypoteesin kanssa. [Jos bineutroni olisi olemassa, niin näissä reaktioissa havaittaisiin tarkasti määritellyillä energioilla huippuja α-hiukkasten (4 He-ytimiä) ja γ-kvanttien energiajakaumissa, vastaavasti.] Vaikka ydinvuorovaikutus singletissä Tila ei ole tarpeeksi suuri muodostamaan bineutronin, tämä ei sulje pois mahdollisuutta muodostua sidottu järjestelmä, joka koostuu suuresta määrästä neutroniytimiä yksinään. Tämä kysymys vaatii lisää teoreettista ja kokeellista tutkimusta. Yritykset kokeellisesti löytää kolmen tai neljän N:n ytimiä sekä ytimiä 4 H, 5 H, 6 H eivät ole vielä tuottaneet positiivista tulosta. N:n rakenteet. Näiden käsitteiden mukaan vahva vuorovaikutus N:n ja muiden hadronien välillä (esim. protoni) suoritetaan virtuaalisten hadronien vaihdon kautta (katso Virtuaalihiukkaset) - π-mesonit, ρ-mesonit jne. Tällainen vuorovaikutuskuva selittää ydinvoimien lyhyen kantaman luonteen, jonka säteen määrää kevyimmän hadronin Compton-aallonpituus (katso Compton-aallonpituus) - π-meson (saa 1,4․10 -13 asti cm). Samalla se viittaa mahdollisuuteen N.:n virtuaalisesta muuntamisesta muiksi hadroneiksi, esimerkiksi π-mesonin emissio- ja absorptioprosessiin: n → p + π - → n. Kokemuksesta tiedettyjen voimakkaiden vuorovaikutusten intensiteetti on sellainen, että N:n täytyy viettää suurimman osan ajasta tällaisissa "dissosioituneissa" tiloissa ollessaan ikään kuin virtuaalisten π-mesonien ja muiden hadronien "pilvessä". Tämä johtaa sähkövarauksen ja magneettisen momentin avaruudelliseen jakautumiseen N:n sisällä, jonka fyysiset mitat määräytyvät virtuaalihiukkasten "pilven" mittojen mukaan (katso myös muototekijä). Erityisesti osoittautuu mahdolliseksi tulkita kvalitatiivisesti edellä mainittu likimääräinen yhtäläisyys neutronin ja protonin poikkeavien magneettisten momenttien itseisarvossa, jos oletetaan, että neutronin magneettinen momentti syntyy varautuneen kiertoradan liikkeestä. π - prosessissa n → p + π - → n säteilevät mesonit ja protonin poikkeava magneettinen momentti - prosessin р → n + π + luoman π + mesonien virtuaalisen pilven kiertoradalla. → s.

Neutronien sähkömagneettiset vuorovaikutukset. N:n sähkömagneettiset ominaisuudet määräytyvät siinä olevan magneettisen momentin sekä N:n sisällä olevien positiivisten ja negatiivisten varausten ja virtojen jakautumisen perusteella. Kaikki nämä ominaisuudet, kuten edellisestä seuraa, liittyvät N:n osallistumiseen vahvaan vuorovaikutukseen, joka määrittää sen rakenteen. N:n magneettinen momentti määrää N:n käyttäytymisen ulkoisissa sähkömagneettisissa kentissä: N:n säteen halkeaminen epähomogeenisessa magneettikentässä, N:n spinin precessio. - quanta (mesonien valokuvatuotanto). Vedyn sähkömagneettiset vuorovaikutukset atomien ja atomiytimien elektronikuorten kanssa johtavat useisiin ilmiöihin, jotka ovat tärkeitä aineen rakenteen tutkimisen kannalta. N:n magneettisen momentin vuorovaikutus atomien elektronikuorten magneettisten momenttien kanssa ilmenee merkittävästi N:lle, jonka aallonpituus on suuruusluokkaa tai suurempi kuin atomimitat (energia) E ev) , ja sitä käytetään laajalti magneettisen rakenteen ja elementaaristen viritysten (spin-aallot (katso Spin-aallot)) tutkimiseen. magneettisesti järjestetyt kiteet (katso neutronidiffraktio). Ydinsirontahäiriö mahdollistaa polarisoituneiden hitaiden neutronien säteiden saamisen (katso Polarisoidut neutronit) .

Neutronin magneettisen momentin vuorovaikutus ytimen sähkökentän kanssa aiheuttaa neutronin spesifisen sironnan, jonka osoitti ensin amerikkalainen fyysikko J. Schwinger ja jota siksi kutsuttiin "Schwingeriksi". Tämän sironnan kokonaispoikkileikkaus on pieni, mutta pienissä kulmissa (neutroni 3 °) siitä tulee verrattavissa ydinsironta poikkileikkaukseen; N., jotka ovat hajallaan sellaisissa kulmissa, ovat erittäin polarisoituneita.

N:n - elektronin (n-e) vuorovaikutus, joka ei liity elektronin sisäiseen tai kiertoradan momenttiin, pelkistyy pääasiassa N:n magneettisen momentin vuorovaikutukseen elektronin sähkökentän kanssa. Toinen, ilmeisesti pienempi vaikutus (n-e) -vuorovaikutukseen voi johtua sähkövarausten ja virtojen jakautumisesta H:n sisällä. Vaikka (n-e) -vuorovaikutus on hyvin pieni, se havaittiin useissa kokeissa.

Heikko neutronivuorovaikutus ilmenee prosesseissa, kuten N:n hajoamisessa:

ja myonineutrino (ν μ) neutroni: ν μ + n → p + μ -, myonien ydinsieppaus: μ - + p → n + ν μ, outojen hiukkasten hajoaminen (katso Outoja hiukkasia) , esim. Λ → π ° + n jne.

Neutronien gravitaatiovuorovaikutus. N. on ainoa perushiukkanen, jolla on lepomassa, jolla havaittiin suoraan gravitaatiovuorovaikutusta - hyvin kollimoidun kylmän N:n säteen liikeradan kaarevuus gravitaatiokentässä. N.:n mitattu painovoimakiihtyvyys kokeellisella tarkkuudella , osuu samaan aikaan makroskooppisten kappaleiden painovoimakiihtyvyyden kanssa.

Neutronit maailmankaikkeudessa ja lähellä maapalloa

Kysymys neutronien lukumäärästä universumissa sen laajenemisen alkuvaiheessa on tärkeä rooli kosmologiassa. Kuuman maailmankaikkeuden mallin mukaan (katso Kosmologia) , Merkittävä osa alun perin olemassa olevasta vapaasta N.:sta ehtii laajentumisen aikana hajota. Osa vedystä, jonka protonit sieppaavat, pitäisi lopulta johtaa noin 30 %:iin He-ytimistä ja 70 %:iin protoneista. He:n prosenttiosuuden kokeellinen määrittäminen universumissa on yksi kuuman universumimallin kriittisistä testeistä.

Kosmisen säteiden primäärikomponentissa (katso Kosmiset säteet) N. puuttuu niiden epävakauden vuoksi. Kosmisen säteen hiukkasten vuorovaikutus maan ilmakehän atomiytimien kanssa johtaa kuitenkin neutronien syntymiseen ilmakehässä. Näiden typen aiheuttama reaktio 14 N (n, p) 14 C on pääasiallinen radioaktiivisen isotoopin hiilen 14 C lähde ilmakehässä, josta se pääsee eläviin organismeihin; 14 C -pitoisuuden määritys orgaanisista jäämistä perustuu geokronologian radiohiilimenetelmään (ks. Geokronologia). Hitaiden neutronien hajoaminen, jotka leviävät ilmakehästä maanläheiseen avaruuteen, on yksi tärkeimmistä elektronien lähteistä, jotka täyttävät Maan säteilyvyöhykkeen sisäosan.

Valaistu.: Vlasov N.A., Neutrons, 2. painos, M., 1971; Gurevich I.I., Tarasov L.V., Matalaenergianeutronien fysiikka, Moskova, 1965.

F. L. Shapiro, V. I. Lushchikov.

Suuri Neuvostoliiton tietosanakirja. - M .: Neuvostoliiton tietosanakirja. 1969-1978 .

Mikä on neutroni? Tämä kysymys herää useimmiten ihmisille, jotka eivät ole mukana ydinfysiikassa, koska neutronin alla ymmärretään siinä alkeishiukkanen, jolla ei ole sähkövarausta ja jonka massa on 1838,4 kertaa suurempi kuin elektronisen. Yhdessä protonin kanssa, jonka massa on hieman pienempi kuin neutronin massa, se on atomiytimen "rakennuspalikka". Alkuainehiukkasfysiikassa neutronin ja protonin oletetaan olevan yhden hiukkasen - nukleonin - kaksi eri muotoa.

Jokaisen kemiallisen alkuaineen atomiytimien koostumuksessa on neutroni, ainoa poikkeus on vetyatomi, jonka ydin on yksi protoni. Mikä on neutroni, mikä sen rakenne on? Vaikka sitä kutsutaan ytimen elementaariseksi "tiileksi", sillä on silti oma sisäinen rakenne. Erityisesti se kuuluu baryoniperheeseen ja koostuu kolmesta kvarkista, joista kaksi on down-tyypin kvarkkeja ja yksi up-tyyppisiä. Kaikilla kvarkeilla on murto-osainen sähkövaraus: ylempi on positiivisesti varautunut (+2/3 elektronivarauksesta) ja alempi negatiivinen (-1/3 elektronivarauksesta). Tästä syystä neutronilla ei ole sähkövarausta, koska sen muodostavat kvarkit yksinkertaisesti kompensoivat sen. Neutronin magneettinen momentti ei kuitenkaan ole nolla.

Neutronin koostumuksessa, jonka määritelmä on annettu edellä, jokainen kvarkki on yhdistetty muuhun gluonikentän avulla. Gluon on hiukkanen, joka on vastuussa ydinvoimien muodostumisesta.

Ydinfysiikassa hiukkasen massa kuvataan kilogrammoina ja atomimassayksiköinä ilmaistun massan lisäksi myös GeV:nä (gigaelektronivolteina). Tämä tuli mahdolliseksi sen jälkeen, kun Einstein löysi kuuluisan yhtälönsä E = mc 2, joka yhdistää energian massaan. Mikä on neutroni GeV:ssä? Tämä on arvo 0,0009396, mikä on hieman korkeampi kuin protonilla (0,0009383).

Neutroni- ja atomiytimien stabiilius

Neutronien läsnäolo atomiytimissä on erittäin tärkeää niiden stabiiliudelle ja itse atomirakenteen ja aineen olemassaolon mahdollisuudelle. Tosiasia on, että protoneilla, jotka myös muodostavat atomiytimen, on positiivinen varaus. Ja niiden lähentyminen lähietäisyyksillä vaatii valtavien energioiden kuluttamista Coulombin sähköisen hylkimisen vuoksi. Neutronien ja protonien välillä vaikuttavat ydinvoimat ovat 2-3 suuruusluokkaa vahvemmat kuin Coulombin voimat. Siksi ne pystyvät pitämään positiivisesti varautuneita hiukkasia lähietäisyyksillä. Ydinvuorovaikutukset ovat lyhyen kantaman ja ilmenevät vain ytimen koon sisällä.

Neutronien kaavaa käytetään niiden määrän selvittämiseen ytimessä. Se näyttää tältä: neutronien lukumäärä = alkuaineen atomimassa - atomiluku jaksollisessa taulukossa.

Vapaa neutroni on epävakaa hiukkanen. Sen keskimääräinen käyttöikä on 15 minuuttia, minkä jälkeen se hajoaa kolmeen hiukkaseen:

• elektroni;
• protoni;
• antineutrino.

Edellytykset neutronin löytämiselle

Neutronin teoreettista olemassaoloa fysiikassa ehdotti jo vuonna 1920 Ernest Rutherford, joka yritti selittää, miksi atomiytimet eivät hajoa protonien sähkömagneettisen hylkimisen vuoksi.

Jo aikaisemmin, vuonna 1909 Saksassa, Bothe ja Becker totesivat, että jos kevyitä alkuaineita, kuten berylliumia, booria tai litiumia, säteilytetään poloniumista peräisin olevilla korkeaenergisilla alfahiukkasilla, muodostuu säteilyä, joka läpäisee minkä tahansa paksuuden eri materiaalit. He olettivat tämän säteilyn olevan gamma-säteilyä, mutta millään sellaisella tuolloin tunnetulla säteilyllä ei ollut niin suurta läpäisykykyä. Bothen ja Beckerin kokeita ei tulkittu oikein.

Neutronin löytö

Englantilainen fyysikko James Chadwick havaitsi neutronin olemassaolon vuonna 1932. Hän tutki berylliumin radioaktiivista säteilyä, suoritti sarjan kokeita saadakseen tuloksia, jotka eivät olleet yhtäpitäviä fysikaalisten kaavojen ennustamien kanssa: radioaktiivisen säteilyn energia oli paljon teoreettisia arvoja korkeampi ja liikemäärän säilymislaki oli myös rikottu. Siksi oli tarpeen hyväksyä yksi hypoteeseista:

1. Tai kulmamomentti ei säily ydinprosessien aikana.
2. Joko radioaktiivinen säteily koostuu hiukkasista.

Tiedemies hylkäsi ensimmäisen oletuksen, koska se on ristiriidassa fysiikan peruslakien kanssa, joten hän hyväksyi toisen hypoteesin. Chadwick osoitti, että hänen kokeissaan säteily muodostuu nollavaraisista hiukkasista, joilla on vahva läpäisykyky. Lisäksi hän pystyi mittaamaan näiden hiukkasten massan ja havaitsi, että se on hieman suurempi kuin protoni.

Hitaat ja nopeat neutronit

Neutronin energiasta riippuen sitä kutsutaan hitaaksi (noin 0,01 MeV) tai nopeaksi (noin 1 MeV). Tämä luokittelu on tärkeä, koska osa sen ominaisuuksista riippuu neutronin nopeudesta. Erityisesti nopeat neutronit vangitsevat hyvin ytimet, mikä johtaa niiden isotooppien muodostumiseen ja aiheuttaa niiden fission. Hitaat neutronit vangitsevat huonosti lähes kaikkien materiaalien ytimet, joten ne voivat kulkea vapaasti paksujen ainekerrosten läpi.

Neutronin rooli uraaniytimen fissiossa

Jos kysyt itseltäsi, mikä neutroni on ydinvoimassa, voimme sanoa varmuudella, että tämä on keino indusoida uraaniytimen fissioprosessi, johon liittyy korkean energian vapautuminen. Tämän fissioreaktion aikana syntyy myös erinopeuksisia neutroneja. Syntyneet neutronit puolestaan ​​indusoivat muiden uraaniytimien hajoamista ja reaktio etenee ketjumaisesti.

Jos uraanin fissioreaktio on hallitsematon, se johtaa reaktiotilavuuden räjähdykseen. Tätä vaikutusta käytetään ydinpommeissa. Uraanin hallittu fissioreaktio on energianlähde ydinvoimaloissa.

NEUTRONI

NEUTRONI

(Englantilainen neutroni, lat. neuter - ei toinen eikä toinen) (n), sähköisesti neutraali elementti. ch-tsa, jonka spin on 1/2 ja massa ylittää hieman protonin massan; kuuluu hadronien luokkaan ja kuuluu baryonien ryhmään. Kaikki atomiytimet on rakennettu protoneista ja N. N. avattiin vuonna 1932 Englanti. fyysikko J. Chadwick, joka totesi, että se, mitä hän löysi. fyysikot V. Bote ja G. Becker tunkeutuvat, leikkaus syntyy pommituksen aikana klo. ytimiä, joissa on a-hiukkasia, koostuu varautumattomista. ch-c, jonka massa on lähellä protonia.

N. ovat stabiileja vain stabiilien atomien koostumuksessa. ytimet. Vapaa N. - epästabiili ch-tsa, hajoava kaavion mukaan: n®p + e- + v = c (N.:n beeta-hajoaminen); ke H.t = 15,3 min. Aineessa vapaita typpejä on vielä vähemmän (tiheässä aineessa - yksiköt - satoja mikrosekunteja) johtuen niiden voimakkaasta absorptiosta ytimiin. Siksi vapaita N. syntyy luonnossa tai niitä saadaan laboratoriossa vain myrkkynä. reaktiot. Vapaa N., vuorovaikutuksessa osoitteessa. ydin, aiheuttaa hajoamista. ... N:n suuri tehokkuus myrkkyä toteutettaessa. reaktiot, hitaan N:n vaikutuksen ainutlaatuisuus (resonanssivaikutukset, diffraktiosironta kiteissä jne.) tekevät N:stä erittäin tärkeän instrumentin myrkkytutkimuksessa. fysiikka ja fysiikka tv. elimiä (ks. NEUTRONOGRAFIA). Käytännössä N. sovelluksilla on keskeinen rooli myrkkyssä. energiaa, transuraanisten alkuaineiden ja radioaktiivisten aineiden tuotannossa. isotoopit (art.), ja niitä käytetään myös kemianteollisuudessa. analyysi (aktivointi. analyysi) ja geol. tutkimus (neutronin kirjaus).

Neutronien perusominaisuudet.

Paino. N:n ja protonin massojen välinen ero määritetään tarkimmin: mn - mp = 1,29344 (7) MeV energialla mitattuna. tasapaino hajoaa. minä reaktiot. Tästä syystä (ja tunnettu mp) mn = 939,5731 (27) MeV tai mn "1,675X10-24 g" 1840 me (me - el-na).

Spin ja tilastot. Spin H.J mitattiin erittäin hitaan N:n säteen halkeamalla epähomogeenisessa magneetissa. ... Kvantin mukaan. mekaniikka, säteen tulisi jakaa 2J + 1 det. nippuja. Havaittiin jakautumista kahdeksi säteeksi, eli H.:lle J = 1/2 ja N. noudattaa Fermi-Dirac-tilastoa (itsenäisesti tämä todettiin atomiytimien rakennetta koskevien kokeellisten tietojen perusteella).

Hitaiden neutronien sironta protoneilla jopa 15 MeV:n energioissa on pallosymmetristä massajärjestelmän keskipisteessä. Tämä osoittaa, että sironta määräytyy np:n vaikutuksesta suhteellisessa tilassa. liikettä kiertoradalta. momentti l = 0 (ns. S-aalto). S-sironta ylittää sirontaa muissa valtioissa, kun de Broglie N. ?? myrkyn toimintasäde. voimat. Koska 10 MeV:n energialla N:lle? »2 10-13 cm, tämä N.:n hajoaminen protoneilla sellaisilla energioilla antaa tietoa myrkyn vaikutussäteen suuruusluokasta. voimat. Mikrohiukkasten sirontateoriasta seuraa, että sironta S-tilassa riippuu heikosti nousupotentiaalin yksityiskohtaisesta muodosta ja sitä kuvaavat hyvällä tarkkuudella kaksi parametria: eff. potentiaalin säde r ja sirontapituus a. Np-sironnan kuvaamiseksi parametrien määrä on kaksi kertaa suurempi, koska järjestelmä voi olla kahdessa tilassa, joilla on erilaiset kokonaisspin arvot: 1 (triplettitila) ja 0 (singlettitila). Kokemus osoittaa, että N.:n sirontapituudet protonilla ja eff. iskun säteet singletti- ja triplettitilassa ovat erilaisia, eli myrkkyä. voimat riippuvat kokonaisspin ch-ch. Erityisesti viestintä. np-järjestelmän tila - deuteriumydin voi olla olemassa vain spin 1:llä. Sirontapituus singlettitilassa, määritetty pp-sirontakokeista (kaksi protonia S-tilassa Paulin periaatteen mukaan voi olla vain tila, jonka kokonaisspin on nolla) on np-sirontapituus singlettitilassa. Tämä on sopusoinnussa isotoopin kanssa. vahvan vaikutuksen muuttumattomuus. Kommunikaation puute. järjestelmät np singlettitilassa ja isotooppisessa tilassa. muuttumattomuus on myrkkyä. voimat johtavat siihen johtopäätökseen, ettei yhteyttä voi olla. kahden H:n järjestelmät - ns. bineutroni. Suoria kokeita nn-sironnasta ei tehty neutronikohteiden puuttumisen vuoksi, vaan epäsuorasti. tiedot (Pyhien saarten ytimet) ja suorempi - tutkimus reaktioista 3Н + 3Н®4Не + 2n, p- + d®2n + g ovat samaa mieltä isotooppihypoteesin kanssa. invarianssin myrkkyä. voimia ja bineutronin puuttumista. (Jos bineutroni olisi olemassa, niin näissä reaktioissa havaittaisiin melko määrätyillä energioilla vastaavien a-hiukkasten ja g-kvanttien energiajakauman huippuja.) Vaikka myrkkyä. vaikutus singlettitilassa ei ole tarpeeksi suuri muodostamaan bineutronin, mikä ei sulje pois mahdollisuutta sidoksen muodostumiseen. Pelkästään suuren määrän neutroniytimiä sisältävät järjestelmät (kolmen tai neljän neutronin ytimiä ei ole löydetty).

ELECTROMAGNITNOE VZ ja MODEISTv e. El.-magn. St. va N. määritetään magn. momentti, samoin kuin N:n sisällä oleva jakelu. ja kielsi. lataukset ja virrat. Magn. N:n hetki määrittää N:n käyttäytymisen ulkoisessa tilassa. e-magn. kentät: N. säteen halkeaminen epäyhtenäisessä magn. kenttä, spinin precessio N. Int. e-magn. N:n rakenne (katso FORM FACTOR) ilmenee korkeaenergisten elektronien sirontana N:lle ja g-kvanttien mesonintuotantoprosesseissa N:ssä. Vaikutus magn. hetki N. magn. atomien elektronikuorten momentit ilmenee merkittävästi N.:lle, de Broglien pituus to-rykh ??at. koot (? NEUTRONOGRAFIA). Häiriöt magn. sironta ydinaineella mahdollistaa polarisoituneen hitaan N. Vz-stvie magnin säteen saamisen. momentti N. sähköllä. ytimen kenttä aiheuttaa erityisiä. N. Schwinger -sironta (osoitti ensimmäistä kertaa amerikkalainen fyysikko Yu. Schwinger). Kokonaissironta on pieni, mutta pienissä kulmissa (= 3 °) se on verrattavissa myrkyn poikkileikkaukseen. sironta; N., jotka ovat hajallaan sellaisissa kulmissa, ovat erittäin polarisoituneita. N:n vaikutus el-nomiin, ei liity hänen omaansa. tai kiertoradalla. hetki el-na, vähennetään pääasialliseksi. magnin nousuun. N. momentti elektrnchin kanssa. sähkopostilla. Vaikka tämä vaikutus on hyvin pieni, se havaittiin Yeskissä. kokeiluja.