Co je neutron ve fyzice: struktura, vlastnosti a použití
Co je to neutron? Taková otázka se nejčastěji objevuje u lidí, kteří se nezajímají o jadernou fyziku, protože neutron v ní je chápán jako elementární částice, která nemá žádný elektrický náboj a má hmotu, která je 1838,4 krát elektronová. Spolu s protonem, jehož hmotnost je mírně menší než hmotnost neutronu, je to "cihla" atomového jádra. Ve fyzice elementárních částic se neutron a protón spoléhají na dvě různé formy jedné částice, nukleonu.
Struktura neutronů
Neutron je přítomen v atomovém jádru pro každý chemický prvek, jedinou výjimkou je atom vodíku, jehož jádro je jediný proton. Co je to neutron, jakou strukturu má? I když se nazývá elementární "cihla" jádra, má stále svou vlastní vnitřní strukturu. Zejména patří do rodiny baryonů a skládá se ze tří kvarků, z nichž dva jsou kvarky nižšího typu a jeden z nich je horní. Všechny kvarky mají zlomek elektrický náboj: top pozitivně nabitý (+2/3 od elektronový náboj), spodní je negativní (-1/3 elektronického náboje). To je důvod, proč neutron nemá elektrický náboj, protože je jednoduše kompenzován kvarky, které ho tvoří. Neutronový magnetický moment však není nulový.
Ve složení neutronu, jehož definice je uvedena výše, je každý kvarku spojen se zbytkem pomocí gluonového pole. Gluon je částice odpovědná za tvorbu jaderných sil.
Kromě hmotnosti v kilogramech a jednotek atomové hmotnosti v jaderné fyzice je hmotnost částic také popsána v GeV (giga-electronvolts). Toto bylo možné poté, co Einstein objevil svou slavnou rovnici E = mc 2 , která se vztahuje k energii hmotě. Co je v GeV neutronu? Toto je hodnota 0,0009396, což je o něco větší než proton (0,0009383).
Stabilita neutronů a atomových jader
Přítomnost neutronů v atomových jádrech je velmi důležitá pro jejich stabilitu a možnost existence samotné atomové struktury a látky jako celku. Faktem je, že protony, které také tvoří atomové jádro, mají kladný náboj. A přinášet je blíže na krátké vzdálenosti vyžaduje obrovskou energii kvůli elektrické odpuzování Coulomby. Jaderné síly působící mezi neutrony a protony jsou o 2-3 řády silnější než ty Coulombovy. Proto jsou schopni udržovat kladně nabité částice na blízkých vzdálenostech. Jaderné interakce jsou krátké vzdálenosti a projevují se pouze uvnitř velikosti jádra.
Vzorec neutronů se používá k nalezení jejich čísla v jádru. Vypadá to takto: počet neutronů = atomová hmotnost elementu - atomové číslo v periodické tabulce.
Volný neutron je nestabilní částice. Průměrný čas jeho života je 15 minut, po kterém se rozpadá na tři částice:
- elektron;
- proton;
- antineutrino.
Předpoklady pro objev neutronu
Teoretická existence neutronu ve fyzice byla navržena již v roce 1920 Ernest Rutherford který se snažil vysvětlit, proč atomové jádra se nerozpadnou kvůli elektromagnetické odpuzování protonů.
Již v roce 1909 v Německu Bothe a Becker zjistili, že pokud částice alfa s vysokou energií z polonia ozařují světlé prvky, jako je berýlium, bór nebo lithium, pak se generuje záření, které prochází jakoukoliv tloušťkou různých materiálů. Navrhovali to gama záření, nicméně takové známou radiaci nemělo tak velkou pronikavou sílu. Pokusy Botheho a Beckera nebyly správně interpretovány.
Zjišťování neutronů
Existenci neutronu objevil anglický fyzik James Chadwick v roce 1932. Studoval radioaktivní záření berýlií, provedl řadu experimentů a získal výsledky, které se nezhodovaly s těmi, které předpovídaly fyzikální vzorce: energie radioaktivního záření převyšovala teoretické hodnoty a také byl porušen zákon zachování hybnosti. Proto bylo nutné přijmout jednu z hypotéz:
- Nebo úhlová hybnost není zachována během jaderných procesů.
- Nebo radioaktivní záření se skládá z částic.
Vědec odmítl první předpoklad, protože je v rozporu se základními fyzickými zákony, proto přijal druhou hypotézu. Chadwick ukázal, že záření v jeho experimentech je tvořeno částicemi s nulovým nábojem, které mají silnou pronikavou sílu. Navíc byl schopen měřit hmotnost těchto částic a zjistil, že je o něco větší než proton.
Pomalé a rychlé neutrony
V závislosti na energii, kterou má neutron, se nazývá pomalý (asi 0,01 MeV) nebo rychlý (asi 1 MeV). Taková klasifikace je důležitá, protože některé její vlastnosti závisí na rychlosti neutronu. Zvláště rychlé neutrony jsou dobře zachyceny jádry, což vede k tvorbě jejich izotopů a způsobuje jejich štěpení. Pomalé neutrony jsou špatně zachyceny jádry téměř všech materiálů, takže mohou snadno procházet tlustými vrstvami hmoty.
Úloha neutronu v štěpení uranu
Pokud se ptáte sami sebe, jaký je neutron v jaderné energii, pak je bezpečné říci, že je to způsob, jak indukovat proces štěpení jádra uranu, doprovázený uvolněním vysoké energie. Během této štěpné reakce se také vytvářejí neutrony různých rychlostí. Na druhé straně vyrobené neutrony indukují rozklad jiných uranových jader a reakce probíhá řetězovým způsobem.
Není-li reakce štěpení uranu nekontrolovaná, bude to mít za následek výbuch reakčního objemu. Tento efekt se používá v jaderné bomby. Řízená štěpná reakce uranu je zdrojem energie v jaderných elektrárnách.