Лікнеп RnD.CNews: все, що потрібно знати про нейтрони

Нейтрони - це субатомні частинки, що знаходяться всередині ядра кожного атома поряд із протонами. Це важливий інструмент для досліджень у різних наукових галузях.

Вчені виробляють нейтрони на дослідницьких реакторах та прискорювачах частинок, а також використовують їх для вивчення структури кристалів, матеріалів та рідин.

Нейтрони знаходяться в кожному атомі, але єдиним винятком є ​​водень, ядро ​​якого містить лише один протон. Нейтрони мають нейтральний електричний заряд (не негативний і позитивний) і трохи більшу масу, ніж позитивно заряджені протони.

"Вільні" нейтрони - це ті, які не укладені всередині ядра. У разі вони утворюються внаслідок ядерних процесів розподілу і синтезу.

У той час як кількість протонів визначає, яким елементом є атом, кількість нейтронів в ядрі може змінюватись - за їх кількістю розрізняють ізотопи елемента. Наприклад, звичайний водень містить один протон і не містить нейтронів, але ізотопи водню - дейтерій і тритій - мають один і два нейтрони відповідно поряд з протоном.

Нейтрони - складові частинки, і вони складаються із трьох менших елементарних частинок, званих кварками. Вони утримуються разом сильною взаємодією. Зокрема, нейтрон містить один «верхній» і два «нижні» кварки.

Деякі нейтрони взаємодіють безпосередньо з атомами у зразку і «відскакують» під різними кутами, як кулі, що стикаються під час гри в більярд. Цей метод називається розсіюванням нейтронів.Вчені використовують спеціальні високошвидкісні детектори для уловлювання розсіяних нейтронів та вимірювання їх енергії, швидкості та напряму. Отримана інформація допомагає розрахувати властивості матеріалів, такі як форма та розміри кристалів та молекул.

Нейтрони також можуть бути неруйнівним способом аналізу властивостей матеріалів, оскільки вони не ушкоджують матеріали під час випробувань, як інші методи. Понад те, у науці нейтрони використовувалися навіть вивчення археологічних артефактів. Ще нейтрони застосовували для судово-медичної експертизи волосся американського президента Закарі Тейлора, щоб довести, що він не був отруєний у 1850 році.

Після того, як Ернест Резерфорд відкрив у 1911 році, що атоми мають ядро, а через дев'ять років виявив, що атомні ядра, принаймні частково, складаються з протонів, було і відкриття нейтрона в 1932 році Джеймсом Чедвіком. 1935 року Чедвік отримав Нобелівську премію за своє відкриття.

Ідея про те, що в ядрі атома має бути ще щось, виникла через те, що кількість протонів не відповідала атомній масі атома. Наприклад, атом кисню містить 8 протонів, але має атомну масу 16, що дозволяє припустити, що містить 8 інших частинок. Однак ці частинки мають бути електрично нейтральними, оскільки атоми зазвичай не мають загального електричного заряду (негативний заряд електронів врівноважує позитивний заряд протонів).

Маса та заряд нейтронів

Нейтрони електрично нейтральні, тому вони не мають заряду. Їх маса в 1,008 рази більша за масу протона — іншими словами, вони приблизно на 0,1% важчі.

Нейтрони не «люблять» існувати самі собою поза ядром.Енергія ядерного зв'язку між ними та протонами в ядрі зберігає їх стабільність, але коли вони виявляються самі по собі, то піддаються бета-розпаду приблизно через 15 хвилин, перетворюючись на протон, електрон та антинейтрино.

Альберт Ейнштейн у своєму знаменитому рівнянні E = mc2 стверджував, що маса та енергія еквівалентні. Хоча маси нейтрону і протона лише трохи різняться, ця невелика різниця означає, що нейтрон має більшу масу і, отже, більшу енергію, ніж протон та електрон разом узяті. Ось чому при розпаді нейтрону утворюються протон та електрон.

Ізотопи та радіоактивність

Ізотоп – різновид елемента, в якому переважають нейтрони. Наприклад, ми вже згадували ізотопи водню дейтерій та тритій, які мають 1 та 2 додаткові нейтрони відповідно.

Деякі ізотопи стабільні, наприклад дейтерій. Інші нестабільні та неминуче піддаються радіоактивному розпаду. Тритій нестабільний - його період напіврозпаду (час, за який у середньому розпадається половина заданої кількості ізотопу) становить близько 12 років. Інші ізотопи розпадаються набагато швидше, за лічені хвилини, секунди або навіть частки секунди.

Нейтрони також є важливими інструментами в ядерних реакціях, зокрема при виклику ланцюгової реакції. Нейтрони, що поглинаються атомними ядрами, створюють нестабільні ізотопи, які потім зазнають ядерного поділу — розщеплення на два менші дочірні ядра інших елементів. Наприклад, коли уран-235 поглинає зайвий нейтрон, він стає нестабільним і розпадається на частини, вивільняючи при цьому енергію.

Нейтрони також відіграють важливу роль у створенні важких елементів у масивних зірках за допомогою механізму, відомого як r-процес (від анг.rapid - "швидкий"). Цей процес був вперше докладно описаний у 1957 році в удостоєній премії Нобелівської статті B²FH. У ній описувалося походження елементів у вигляді зоряного нуклеосинтезу.

Зірки, подібні до Сонця, можуть виробляти елементи кисню, азоту і вуглецю в результаті ядерних реакцій синтезу. Найбільш потужні зірки можуть продовжувати існувати і створювати оболонки з більш важких елементів до заліза-56 в ядрі зірки. У цей момент реакції вимагають, щоб для сплавлення елементів важче заліза в них вкладалося більше енергії, ніж те, що виробляється в результаті цих реакцій. Тому ці реакції припиняються, як і виробництво енергії, і ядро ​​зірки колапсує, викликаючи вибух. І саме під час неймовірно потужного вибуху наднової умови можуть стати достатньо екстремальними, щоб вивільнити безліч вільних нейтронів за короткий проміжок часу.

При вибуху наднової атомні ядра здатні захопити всі ці вільні нейтрони до того, як всі вони розпадуться (ось чому процес описується як швидкий), щоб спровокувати r-процес нуклеосинтезу. Як тільки ядра заповняться нейтронами, вони стають нестабільними і піддаються бета-розпаду, а додаткові нейтрони перетворюються на протони. Додавання цих протонів змінює тип елемента, яким є ядро. Таким чином, ми спостерігаємо створення нових важких елементів, таких як золото, платина та інші дорогоцінні метали.

Тільки в найекстремальніших умовах нейтрони можуть вижити поза атомними ядерами. Так, нейтронні зірки - це об'єкти, що майже повністю складаються з нейтронів.Вони являють собою залишок від ядра зірки після того, як вона зазнала колапсу ядра і вибухнула як наднова. Вибух, можливо, забрав зовнішні шари зірки, але ядро, що стискається, залишилося недоторканим.

За відсутності ядерних реакцій, що виробляють енергію для протидії гравітації, маса ядра настільки велика, що воно піддається катастрофічному гравітаційному колапсу, при якому гравітаційний тиск досить великий, щоб протони та електрони могли подолати електростатичну силу між ними і зіткнутися один з одним, зливаючись у свого зворотний бета-розпад з утворенням нейтронів.

Майже всі атоми в ядрі перетворюються на нейтрони, тому називаємо результат нейтронної зіркою. Вони малі, всього 10-20 км у поперечному розрізі, але вміщують всю масу ядра мертвої зірки.

Найбільша масивна нейтронна зірка, яка коли-небудь була виявлена, має масу в 2,35 рази більше, ніж наше Сонце.

Кадр з анімації, що показує наслідки зіткнення двох нейтронних зірок, які злилися в об'єкт GW170817 (710)

Злиття подвійних нейтронних зірок, які виявляються астрофізиками як кілонові та їх гравітаційні хвилі, також є місцями рясного нуклеосинтезу r-процесу. Килонова двох подвійних зірок, що зливаються, випустили гравітаційно-хвильовий сплеск GW 170817, виробила важких елементів масою, що в 16 000 разів перевищує масу Землі, причому золота і платини було приблизно на десять мас Землі!

По суті, все навколо нас є слабким природним «фоном» з вільних нейтронів, створеним космічними променями, що входять у нашу атмосферу, і природною радіоактивністю земної кори.

Лікнеп RnD.CNews: все, що потрібно знати про нейтрони

Нейтрони - це субатомні частинки, що знаходяться всередині ядра кожного атома поряд із протонами. Це важливий інструмент для досліджень у різних наукових галузях.

Вчені виробляють нейтрони на дослідницьких реакторах та прискорювачах частинок, а також використовують їх для вивчення структури кристалів, матеріалів та рідин.

Нейтрони знаходяться в кожному атомі, але єдиним винятком є ​​водень, ядро ​​якого містить лише один протон. Нейтрони мають нейтральний електричний заряд (не негативний і позитивний) і трохи більшу масу, ніж позитивно заряджені протони.

"Вільні" нейтрони - це ті, які не укладені всередині ядра. У разі вони утворюються внаслідок ядерних процесів розподілу і синтезу.

У той час як кількість протонів визначає, яким елементом є атом, кількість нейтронів в ядрі може змінюватись - за їх кількістю розрізняють ізотопи елемента. Наприклад, звичайний водень містить один протон і не містить нейтронів, але ізотопи водню - дейтерій і тритій - мають один і два нейтрони відповідно поряд з протоном.

Нейтрони - складові частинки, і вони складаються з трьох менших елементарних частинок, які називають кварками. Вони утримуються разом сильною взаємодією. Зокрема, нейтрон містить один «верхній» і два «нижні» кварки.

Деякі нейтрони взаємодіють безпосередньо з атомами у зразку і «відскакують» під різними кутами, як кулі, що стикаються під час гри в більярд. Цей метод називається розсіюванням нейтронів. Вчені використовують спеціальні високошвидкісні детектори для уловлювання розсіяних нейтронів та вимірювання їх енергії, швидкості та напряму.Отримана інформація допомагає розрахувати властивості матеріалів, такі як форма та розміри кристалів та молекул.

Нейтрони також можуть бути неруйнівним способом аналізу властивостей матеріалів, оскільки вони не ушкоджують матеріали під час випробувань, як інші методи. Понад те, у науці нейтрони використовувалися навіть вивчення археологічних артефактів. Ще нейтрони застосовували для судово-медичної експертизи волосся американського президента Закарі Тейлора, щоб довести, що він не був отруєний у 1850 році.

Після того, як Ернест Резерфорд відкрив у 1911 році, що атоми мають ядро, а через дев'ять років виявив, що атомні ядра, принаймні частково, складаються з протонів, було і відкриття нейтрона в 1932 році Джеймсом Чедвіком. 1935 року Чедвік отримав Нобелівську премію за своє відкриття.

Ідея про те, що в ядрі атома має бути ще щось, виникла через те, що кількість протонів не відповідала атомній масі атома. Наприклад, атом кисню містить 8 протонів, але має атомну масу 16, що дозволяє припустити, що містить 8 інших частинок. Однак ці частинки мають бути електрично нейтральними, оскільки атоми зазвичай не мають загального електричного заряду (негативний заряд електронів врівноважує позитивний заряд протонів).

Маса та заряд нейтронів

Нейтрони електрично нейтральні, тому вони не мають заряду. Їх маса в 1,008 рази більша за масу протона — іншими словами, вони приблизно на 0,1% важчі.

Нейтрони не «люблять» існувати самі собою поза ядром.Енергія ядерного зв'язку між ними та протонами в ядрі зберігає їх стабільність, але коли вони виявляються самі по собі, то піддаються бета-розпаду приблизно через 15 хвилин, перетворюючись на протон, електрон та антинейтрино.

Альберт Ейнштейн у своєму знаменитому рівнянні E = mc2 стверджував, що маса та енергія еквівалентні. Хоча маси нейтрону і протона лише трохи різняться, ця невелика різниця означає, що нейтрон має більшу масу і, отже, більшу енергію, ніж протон та електрон разом узяті. Ось чому при розпаді нейтрону утворюються протон та електрон.

Ізотопи та радіоактивність

Ізотоп – різновид елемента, в якому переважають нейтрони. Наприклад, ми вже згадували ізотопи водню дейтерій та тритій, які мають 1 та 2 додаткові нейтрони відповідно.

Деякі ізотопи стабільні, наприклад дейтерій. Інші нестабільні та неминуче піддаються радіоактивному розпаду. Тритій нестабільний - його період напіврозпаду (час, за який у середньому розпадається половина заданої кількості ізотопу) становить близько 12 років. Інші ізотопи розпадаються набагато швидше, за лічені хвилини, секунди або навіть частки секунди.

Нейтрони також є важливими інструментами в ядерних реакціях, зокрема при виклику ланцюгової реакції. Нейтрони, що поглинаються атомними ядрами, створюють нестабільні ізотопи, які потім зазнають ядерного поділу — розщеплення на два менші дочірні ядра інших елементів. Наприклад, коли уран-235 поглинає зайвий нейтрон, він стає нестабільним і розпадається на частини, вивільняючи при цьому енергію.

Нейтрони також відіграють важливу роль у створенні важких елементів у масивних зірках за допомогою механізму, відомого як r-процес (від анг.rapid - "швидкий"). Цей процес був вперше докладно описаний у 1957 році в удостоєній премії Нобелівської статті B²FH. У ній описувалося походження елементів у вигляді зоряного нуклеосинтезу.

Зірки, подібні до Сонця, можуть виробляти елементи кисню, азоту і вуглецю в результаті ядерних реакцій синтезу. Найбільш потужні зірки можуть продовжувати існувати і створювати оболонки з більш важких елементів до заліза-56 в ядрі зірки. В цей момент реакції вимагають, щоб для сплавлення елементів важче заліза в них вкладалося більше енергії, ніж та, що виробляється внаслідок цих реакцій. Тому ці реакції припиняються, як і виробництво енергії, і ядро ​​зірки колапсує, викликаючи вибух. І саме під час неймовірно потужного вибуху наднової умови можуть стати достатньо екстремальними, щоб вивільнити безліч вільних нейтронів за короткий проміжок часу.

При вибуху наднової атомні ядра здатні захопити всі ці вільні нейтрони до того, як всі вони розпадуться (ось чому процес описується як швидкий), щоб спровокувати r-процес нуклеосинтезу. Як тільки ядра заповняться нейтронами, вони стають нестабільними і піддаються бета-розпаду, а додаткові нейтрони перетворюються на протони. Додавання цих протонів змінює тип елемента, яким є ядро. Таким чином, ми спостерігаємо створення нових важких елементів, таких як золото, платина та інші дорогоцінні метали.

Тільки в найекстремальніших умовах нейтрони можуть вижити поза атомними ядерами. Так, нейтронні зірки - це об'єкти, що майже повністю складаються з нейтронів.Вони являють собою залишок від ядра зірки після того, як вона зазнала колапсу ядра і вибухнула як наднова. Вибух, можливо, забрав зовнішні шари зірки, але ядро, що стискається, залишилося недоторканим.

За відсутності ядерних реакцій, що виробляють енергію для протидії гравітації, маса ядра настільки велика, що воно піддається катастрофічному гравітаційному колапсу, при якому гравітаційний тиск досить великий, щоб протони та електрони могли подолати електростатичну силу між ними і зіткнутися один з одним, зливаючись у свого зворотний бета-розпад з утворенням нейтронів.

Майже всі атоми в ядрі перетворюються на нейтрони, тому називаємо результат нейтронної зіркою. Вони малі, всього 10-20 км у поперечному розрізі, але вміщують всю масу ядра мертвої зірки.

Найбільша масивна нейтронна зірка, яка коли-небудь була виявлена, має масу в 2,35 рази більше, ніж наше Сонце.

Кадр з анімації, що показує наслідки зіткнення двох нейтронних зірок, які злилися в об'єкт GW170817 (710)

Злиття подвійних нейтронних зірок, які виявляються астрофізиками як кілонові та їх гравітаційні хвилі, також є місцями рясного нуклеосинтезу r-процесу. Килонова двох подвійних зірок, що зливаються, випустили гравітаційно-хвильовий сплеск GW 170817, виробила важких елементів масою, що в 16 000 разів перевищує масу Землі, причому золота і платини було приблизно на десять мас Землі!

По суті, все навколо нас є слабким природним «фоном» з вільних нейтронів, створеним космічними променями, що входять у нашу атмосферу, і природною радіоактивністю земної кори.