Шта је неутрон у физици: структура, својства и употреба
Шта је неутрон? Такво питање најчешће се јавља код људи који се не баве нуклеарном физиком, јер се неутрон у њему схвата као елементарна честица, која нема електрични набој и има масу која је 1838,4 пута већа од електрона. Заједно са протоном, чија је маса нешто мања од масе неутрона, она је „цигла“ атомског језгра. У физици елементарних честица, неутрон и протон се ослањају на два различита облика једне честице, нуклеон.
Неутронска структура
Неутрон је присутан у атомском језгру за сваки хемијски елемент, једини изузетак је атом водоника, чије је језгро један протон. Шта је то неутрон, каква структура има? Иако се назива елементарна "цигла" језгра, она и даље има своју унутрашњу структуру. Посебно, она припада породици барион и састоји се од три кваркова, од којих су два кваркови нижег типа, а један од њих је горњи. Сви кваркови имају фракцију електрични набој: врх позитивно наелектрисан (+2/3 од наелектрисање електрона), доња је негативна (-1/3 електронског наплате). Зато неутрон нема електрични набој, јер га једноставно компензирају кваркови који га чине. Међутим, магнетни момент неутрона није нула.
У саставу неутрона, чија је дефиниција дата горе, сваки кварк је повезан са остатком уз помоћ глуонског поља. Глуон је честица одговорна за формирање нуклеарних сила.
Поред масе у килограмима и јединицама атомске масе, у нуклеарној физици, маса честица је такође описана у ГеВ (гига-електронволти). То је постало могуће након што је Еинстеин открио своју познату једнаџбу Е = мц 2 , која повезује енергију са масом. Шта је неутрон у ГеВ? Ово је вредност 0,0009396, која је нешто већа од протона (0,0009383).
Стабилност неутронских и атомских језгара
Присуство неутрона у атомским језграма је веома важно за њихову стабилност и могућност постојања саме атомске структуре и супстанце као целине. Чињеница је да протони, који такође чине атомско језгро, имају позитиван набој. И њихово приближавање на кратке удаљености захтева огромне енергије због Цоуломб-овог електричног одбијања. Нуклеарне силе које дјелују између неутрона и протона су за 2-3 реда јача од кулонских. Због тога су у стању да задрже позитивно наелектрисане честице на блиским растојањима. Нуклеарне интеракције су кратког домета и манифестују се само унутар величине језгра.
Формула неутрона се користи за проналажење њиховог броја у језгру. Изгледа овако: број неутрона = атомска маса елемента - атомски број у периодном систему.
Слободни неутрон је нестабилна честица. Просечно време његовог живота је 15 минута, након чега се распада на три честице:
- елецтрон;
- протон;
- антинеутрино.
Предуслови за откривање неутрона
Теоретско постојање неутрона у физици предложено је још 1920. године Ернест Рутхерфорд који су на овај начин покушали да објасне зашто се атомска језгра не распадају због електромагнетног одбијања протона.
Још раније, 1909. у Немачкој, Ботхе и Бецкер су открили да ако високо-енергетске алфа честице полонијума озрачују лаке елементе, као што су берилијум, бор или литиј, онда се генерише зрачење које пролази кроз било коју дебљину различитих материјала. Предложили су то гама зрачење, међутим, ниједно такво зрачење које је тада било познато није поседовало тако велику моћ продирања. Експерименти Ботхеа и Бецкера нису правилно интерпретирани.
Неутронско откриће
Постојање неутрона открио је енглески физичар Јамес Цхадвицк 1932. године. Проучавао је радиоактивно зрачење берилијума, спровео низ експеримената, добивши резултате који се нису подударали са онима предвиђеним физичким формулама: енергија радиоактивног зрачења далеко је превазишла теоријске вредности, а прекршен је и закон очувања момента. Стога је било неопходно прихватити једну од хипотеза:
- Или угаони момент није сачуван током нуклеарних процеса.
- Или се радиоактивно зрачење састоји од честица.
Научник је одбацио прву претпоставку јер је у супротности са основним физичким законима, па је прихватио другу хипотезу. Цхадвицк је показао да је зрачење у његовим експериментима формирано од честица са нултим набојем, које имају јаку пенетрацијску снагу. Поред тога, он је био у стању да измери масу тих честица, откривајући да је она нешто већа од протонске.
Спори и брзи неутрони
У зависности од енергије коју има неутрон, она се назива спора (око 0.01 МеВ) или брза (око 1 МеВ). Таква класификација је важна јер нека њена својства зависе од брзине неутрона. Посебно, брзи неутрони су добро ухваћени у језгру, што доводи до формирања њихових изотопа и узрокује њихову фисију. Спори неутрони слабо су захваћени језгром готово свих материјала, па лако могу проћи кроз дебеле слојеве материје.
Улога неутрона у фисији уранијума
Ако се запитате шта је неутрон у нуклеарној енергији, онда се може са сигурношћу рећи да је то средство за индукцију процеса фисије нуклеуса уранијума, праћено ослобађањем високе енергије. Током ове реакције фисије, генеришу се и неутрони различитих брзина. Заузврат, произведени неутрони индукују распад других језгара уранијума, а реакција се одвија ланчано.
Ако је реакција фисије уранијума неконтролисана, то ће довести до експлозије реакционе запремине. Овај ефекат се користи у нуклеарне бомбе. Контролисана реакција фисије уранијума је извор енергије у нуклеарним електранама.