Що таке нейтрон у фізиці: будова, властивості і використання

Що таке нейтрон? Таке запитання найчастіше виникає у людей, які не займаються ядерною фізикою, адже під нейтроном в ній розуміють елементарну частинку, яка не має електричного заряду і володіє масою, що перевищує електронну в 18384 рази. Разом з протоном, маса якого трохи менше, ніж маса нейтрона, він є "цеглинкою" атомного ядра. У фізиці елементарних частинок нейтрон і протон покладаються двома різними формами однієї частинки - нуклона.

Будова нейтрона

Нейтрон присутній у складі ядер атомів для кожного хімічного елемента, виняток становить лише атом водню, ядро якого являє собою один протон. Що таке нейтрон, яке будова він має? Хоча він і називається елементарним "цеглинкою" ядра, але все ж має свою внутрішню структуру. Зокрема, він відноситься до сімейства баріонів і складається з трьох кварків, два з яких є кварками нижнього типу, а один - верхнього. Всі кварки мають дробовий електричний заряд: верхній заряджений позитивно (+2/3 від заряду електрона), а нижній - негативно (-1/3 електронного заряду). Саме тому нейтрон не має електричного заряду, адже він у складових його кварків просто компенсується. Тим не менш, магнітний момент нейтрона не дорівнює нулю. У складі нейтрона, визначення якого було дано вище, кожен кварк з'єднаний з іншими за допомогою глюонового поля. Глюон є частинкою, відповідальної за утворення ядерних сил. Крім маси в кілограмах і атомних одиницях маси, в ядерній фізиці масу частинки описують також в Гев (гигаэлектронвольтах). Це стало можливим після відкриття Ейнштейном свого знаменитого рівняння E=mc 2 , яке пов'язує енергію з масою. Що таке нейтрон в Гев? Це величина 00009396 яка трохи більше аналогічної для протона (00009383).

Стабільність нейтрона і ядер атомів

Присутність нейтронів в атомних ядрах дуже важливо для їх стабільності і можливості існування самої атомної структури речовини в цілому. Справа в тому, що протони, які також складають атомне ядро, мають позитивний заряд. І зближення їх на близькі відстані вимагає витрат величезних енергій зважаючи кулонівського електричного відштовхування. Ядерні сили, діючі між нейтронами і протонами на 2-3 порядку сильніше кулонівських. Тому вони здатні утримувати позитивно заряджені частинки на близьких відстанях. Ядерні взаємодії є короткодействующими і виявляють себе тільки в межах розмірів ядра. Формулу нейтронів використовують для знаходження їх кількості в ядрі. Вона виглядає так: кількість нейтронів = атомна маса елемента - атомний номер в таблиці Менделєєва. Вільний нейтрон - це частка нестабільна. Середнє час його життя становить 15 хвилин, після чого він розпадається на три частки:

електрон;

протон;

антинейтрино.

Передумови відкриття нейтрона

Теоретичне існування нейтрона у фізиці було запропоновано ще в 1920 році Ернестом Резерфордом, який намагався таким чином пояснити, чому атомні ядра не розвалюються через електромагнітного відштовхування протонів. Ще раніше, у 1909 році в Німеччині, Боте і Беккер встановили, що якщо альфа-частинками великих енергій від полонію опромінювати легкі елементи, наприклад, берилій, бор або літій, то утворюється випромінювання, яке проходить через будь-яку товщину різних матеріалів. Вони припустили, що це випромінювання гамма, однак жодне подібне випромінювання, відоме на той момент, не мало такий великий проникаючої здатністю. Експерименти Боте і Беккера не були розглянуті належним чином.

Відкриття нейтрона

Існування нейтрона було виявлено англійським фізиком Джеймсом Чедвиком в 1932 році. Він вивчав радіоактивне випромінювання берилію, провів серію експериментів, отримавши результати, які не збігалися з тими, що передбачали фізичні формули: енергія радіоактивного випромінювання набагато перевершувала теоретичні значення, також порушувався закон збереження імпульсу. Тому необхідно було прийняти одну з гіпотез:

Момент імпульсу не зберігається при ядерних процесах.

Або радіоактивне випромінювання складається з частинок.

Перше припущення вчений відкинув, оскільки воно суперечить фундаментальним фізичним законам, тому прийняв другу гіпотезу. Чедвік показав, що радіаційне випромінювання в його експериментах утворено частинками з нульовим зарядом, які володіють сильною проникаючою здатністю. Крім того, він зміг виміряти масу цих частинок, встановивши, що вона трохи більше такої для протона.

Повільні і швидкі нейтрони

В залежності від енергії, яку має нейтрон, він називається повільним (близько 001 Мев) або швидким (порядку 1 Мев). Така класифікація важлива, оскільки від швидкості нейтрона залежать деякі його властивості. Зокрема, швидкі нейтрони добре захоплюються ядрами, приводячи до утворення їх ізотопів, і викликаючи їх розподіл. Повільні ж нейтрони погано захоплюються ядрами практично всіх матеріалів, тому вони можуть безперешкодно проходити крізь товсті шари речовини.

Роль нейтрона в поділі ядра урану

Якщо задаватися питанням, що таке нейтрон в ядерній енергетиці, то можна з упевненістю сказати, що це засіб індукування процесу поділу ядра урану, супроводжується виділенням великої енергії. Під час цієї реакції ділення також породжуються нейтрони різних швидкостей. У свою чергу утворені нейтрони індукують розпад інших ядер урану, і реакція протікає ланцюговим способом. Якщо реакція ділення урану буде неконтрольованою, то це призведе до вибуху реакційного об'єму. Цей ефект використовується в ядерні бомби. Контрольована реакція ділення урану є джерелом енергії в ядерних електростанціях.