нейтрон обозначение заряд чем является

Нейтрон

Нейтро́н (от лат. neuter — ни тот, ни другой) — элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов.

Содержание

Открытие

Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

В 1930 г. В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко показали, что ядро не может, как считалось в то время, состоять из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы. [3] [4]

В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 году английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он). В том же 1932 г. Д. Д. Иваненко [5] и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Основные характеристики

Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном.

Строение и распад

Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Близость значений масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.

Поскольку нейтрон тяжелее протона, то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако, ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни, приблизительно равное 15 минутам, примерно в миллиард раз больше времени жизни мюона — следующей за нейтроном метастабильной частице по времени жизни.

Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном около 1,3 МэВ невелика по меркам ядерной физики. В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным. Более того, в нейтроно-дефицитных ядрах происходит распад протона в нейтрон (с захватом орбитального электрона или вылетом позитрона).

Другие свойства

Изоспины нейтрона и протона одинаковы (1/2), но их проекции противоположны по знаку. Проекция изоспина нейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной −1/2, в ядерной физике +1/2 (поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).

Нейтрон — единственная [источник не указан 574 дня] из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой непосредственно наблюдалось гравитационное взаимодействие — искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка холодных нейтронов. Измеренное гравитационное ускорение нейтронов в пределах точности эксперимента совпадает с гравитационным ускорением макроскопических тел.

Направления исследований в физике нейтронов

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Описание

Открытие

Бета-распад и стабильность ядра

Распад свободного нейтрона

Вне ядра, свободные нейтроны нестабильны и имеют среднюю продолжительность жизни в 879,6 ± 0,8 с (около 14 минут 40 секунд); поэтому период полураспада для этого процесса (который отличается от среднего времени жизни в ln (2) = 0,693 раз ) равен 610,1 ± 0,7 с (около 10 минут 10 секунд). Этот распад возможен только потому, что масса протона меньше массы нейтрона. По эквивалентности массы и энергии, когда нейтрон распадается на протон таким образом, он достигает более низкого энергетического состояния. Описанный выше бета-распад нейтрона можно обозначить радиоактивным распадом :

Небольшая часть (примерно один из 1000) свободных нейтронов распадается с теми же продуктами, но с добавлением дополнительной частицы в виде испускаемого гамма-луча:

Этот гамма-луч можно рассматривать как «внутреннее тормозное излучение », которое возникает в результате электромагнитного взаимодействия испускаемой бета-частицы с протоном. Производство внутреннего тормозного гамма-излучения также является второстепенным признаком бета-распада связанных нейтронов (как обсуждается ниже).

Превращение свободного протона в нейтрон (плюс позитрон и нейтрино) энергетически невозможно, поскольку свободный нейтрон имеет большую массу, чем свободный протон. Но столкновение протона с электроном или нейтрино при высоких энергиях может привести к образованию нейтрона.

Связанный нейтронный распад

Нейтроны в нестабильных ядрах могут распадаться бета-распадом, как описано выше. В этом случае для протона в результате распада доступно энергетически разрешенное квантовое состояние. Одним из примеров этого распада является углерод-14 (6 протонов, 8 нейтронов), который распадается до азота-14 (7 протонов, 7 нейтронов) с периодом полураспада около 5730 лет.

Превращение протона в нейтрон внутри ядра также возможно через захват электрона :

Захват позитронов нейтронами в ядрах, которые содержат избыток нейтронов, также возможен, но затруднен, потому что позитроны отталкиваются положительным ядром и быстро аннигилируют, когда сталкиваются с электронами.

Конкуренция типов бета-распада

Распад нейтрона по физике элементарных частиц

Распад протона на нейтрон происходит аналогичным образом за счет электрослабой силы. Распад одного из верхних кварков протона на нижний кварк может быть осуществлен путем испускания W-бозона. Протон распадается на нейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Эта реакция может происходить только внутри атомного ядра, которое имеет квантовое состояние с более низкой энергией, доступной для созданного нейтрона.

Внутренние свойства

Масса

Массу нейтрона нельзя напрямую определить масс-спектрометрией, поскольку он не имеет электрического заряда. Но поскольку массы протона и дейтрона могут быть измерены с помощью масс-спектрометра, масса нейтрона может быть вычислена путем вычитания массы протона из массы дейтрона, с разницей в массе нейтрона и энергии связи дейтерия. (выражается как положительная излучаемая энергия). Последний можно непосредственно измерить, измерив энергию ( ) одиночного B d <\ displaystyle B_ > Гамма-фотон с энергией 0,7822 МэВ излучается, когда дейтрон образуется протоном, захватывающим нейтрон (это экзотермический процесс и происходит с нейтронами с нулевой энергией). Также необходимо учитывать небольшую кинетическую энергию отдачи ( ) дейтрона (около 0,06% от полной энергии). E р d <\ displaystyle E_ >

m _{нейтрон} = 1.008 644 904 (14) Да

Значение массы нейтрона в МэВ известно менее точно из-за меньшей точности в известном преобразовании Da в МэВ / c 2 :

Другой метод определения массы нейтрона начинается с бета-распада нейтрона, когда измеряются импульсы образовавшихся протона и электрона.

Электрический заряд

Магнитный момент

Вышеупомянутый подход сравнивает нейтроны с протонами, позволяя вычесть сложное поведение кварков между моделями и просто исследуя, каковы будут эффекты различных зарядов кварков (или типа кварков). Таких вычислений достаточно, чтобы показать, что внутренняя часть нейтронов очень похожа на внутреннюю часть протонов, за исключением разницы в составе кварков с нижним кварком в нейтроне, заменяющим верхний кварк в протоне.

Вращаться

Структура и геометрия распределения заряда

Электрический дипольный момент

Антинейтрон

Нейтронные соединения

Динейтроны и тетранейтроны

В феврале 2016 года японский физик Сусуму Шимура из Токийского университета и его коллеги сообщили, что они впервые наблюдали предполагаемые тетранейтроны экспериментально. Физики-ядерщики всего мира говорят, что это открытие, если оно будет подтверждено, станет важной вехой в области ядерной физики и, безусловно, углубит наше понимание ядерных сил.

Динейтрон еще одна гипотетическая частица. В 2012 году Артемис Спайро из Университета штата Мичиган и его сотрудники сообщили, что они впервые наблюдали эмиссию динейтрона при распаде 16 Be. О динейтронном характере свидетельствует малый угол вылета между двумя нейтронами. Авторы измерили энергию разделения двух нейтронов, равную 1,35 (10) МэВ, что хорошо согласуется с расчетами оболочечной модели с использованием стандартных взаимодействий для этой области масс.

Нейтрониевые и нейтронные звезды

Чрезвычайное давление внутри нейтронной звезды может деформировать нейтроны до кубической симметрии, позволяя более плотно упаковывать нейтроны.

Обнаружение

Обнаружение нейтронов путем захвата нейтронов

Обнаружение нейтронов упругим рассеянием

Детекторы быстрых нейтронов имеют то преимущество, что не требуют замедлителя и, следовательно, способны измерять энергию нейтрона, время прибытия и, в некоторых случаях, направление падения.

Источники и производство

Свободные нейтроны нестабильны, хотя у них самый длинный период полураспада среди нестабильных субатомных частиц на несколько порядков. Их период полураспада составляет всего около 10 минут, поэтому их можно получить только из источников, которые производят их непрерывно.

Еще более сильное нейтронное фоновое излучение образуется на поверхности Марса, где атмосфера достаточно толстая, чтобы генерировать нейтроны в результате образования мюонов космических лучей и расщепления нейтронов, но недостаточно толстая, чтобы обеспечить значительную защиту от образовавшихся нейтронов. Эти нейтроны не только создают опасность нейтронного излучения на поверхности Марса из-за прямого нисходящего нейтронного излучения, но также могут создавать значительную опасность из-за отражения нейтронов от поверхности Марса, что приведет к возникновению отраженного нейтронного излучения, проникающего вверх в марсианский корабль или среду обитания из-под земли. пол.

Экспериментальные термоядерные реакторы производят свободные нейтроны как отходы. Но именно нейтроны обладают большей частью энергии, и преобразование этой энергии в полезную форму оказалось сложной инженерной задачей. В термоядерных реакторах, вырабатывающих нейтроны, вероятно, образуются радиоактивные отходы, но отходы состоят из активированных нейтронами более легких изотопов, которые имеют относительно короткие (50–100 лет) периоды распада по сравнению с типичным периодом полураспада в 10 000 лет для отходов деления. который является долгим из-за длительного периода полураспада трансурановых актинидов, излучающих альфа.

Нейтронные пучки и модификация пучков после производства

Приложения

Разработка «нейтронных линз», основанных на полном внутреннем отражении внутри полых стеклянных капиллярных трубок или на отражении от алюминиевых пластин с углублениями, стимулировала продолжающиеся исследования в области нейтронной микроскопии и нейтронной / гамма-томографии.

Лечебные методы лечения

Поскольку нейтронное излучение проникающее и ионизирующее, его можно использовать для лечения. Однако нейтронное излучение может иметь нежелательный побочный эффект, оставляя пораженный участок радиоактивным. Поэтому нейтронная томография не является жизнеспособным медицинским приложением.

Защита

Температура нейтронов

Тепловые нейтроны

В большинстве реакторов деления используется замедлитель нейтронов для замедления или термализации нейтронов, испускаемых ядерным делением, чтобы их было легче захватить, вызывая дальнейшее деление. Другие, называемые реакторами- размножителями на быстрых нейтронах, напрямую используют нейтроны энергии деления.

Холодные нейтроны

Ультрахолодные нейтроны

Энергия деления нейтронов

Термоядерные нейтроны

Другие реакции синтеза производят нейтроны с гораздо меньшей энергией. D – D синтез производит нейтрон с энергией 2,45 МэВ и гелий-3 в половине случаев и производит тритий и протон, но не нейтрон в остальное время. Синтез D– 3 He не дает нейтронов.

Нейтроны промежуточных энергий

Нейтрон энергии деления, который замедлился, но еще не достиг тепловой энергии, называется надтепловым нейтроном.

Нейтроны высоких энергий

Источник

Протоны и нейтроны: столпотворение внутри материи

В центре каждого атома находится ядро, крохотный набор частиц под названием протоны и нейтроны. В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, состоящих из частиц ещё мельче размером – кварков, глюонов и антикварков. (Глюоны, как и фотоны, являются античастицами сами себе). Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть по-настоящему элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-то мельче размером). Но к ним позже.

Как ни удивительно, у протонов и нейтронов масса почти одинаковая – с точностью до процента:

Поскольку они так похожи, и поскольку из этих частиц состоят ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.

Протоны идентифицировали и описали примерно в 1920 году (хотя открыты они были раньше; ядро атома водорода – это просто отдельный протон), а нейтроны нашли где-то в 1933-м. То, что протоны и нейтроны так похожи друг на друга, поняли почти сразу. Но то, что у них есть измеримый размер, сравнимый с размером ядра (примерно в 100 000 раз меньше атома по радиусу), не знали до 1954-го. То, что они состоит из кварков, антикварков и глюонов, постепенно понимали с середины 1960-х до середины 1970-х. К концу 70-х и началу 80-х наше понимание протонов, нейтронов, и того, из чего они состоят, по большей части устаканилось, и с тех пор остаётся неизменным.

Нуклоны описать гораздо труднее, чем атомы или ядра. Не сказать, что атомы в принципе простые, но по крайней мере, можно сказать, не раздумывая, что атом гелия состоит из двух электронов, находящихся на орбите вокруг крохотного ядра гелия; а ядро гелия – достаточно простая группа из двух нейтронов и двух протонов. А вот с нуклонами всё уже не так просто. Я уже писал в статье «Что такое протон, и что у него внутри?», что атом похож на элегантный менуэт, а нуклон – на дикую вечеринку.

Сложность протона и нейтрона, судя по всему, всамделишные, и не проистекают из неполных физических знаний. У нас есть уравнения, используемые для описания кварков, антикварков и глюонов, а также сильных ядерных взаимодействий, происходящих между ними. Эти уравнения называются КХД, от «квантовая хромодинамика». Точность уравнений можно проверять различными способами, включая измерение количества появляющихся на Большом адронном коллайдере частиц. Подставляя уравнения КХД в компьютер и запуская вычисления свойств протонов и нейтронов, и других сходных частиц (с общим названием «адроны»), мы получаем предсказания свойств этих частиц, хорошо приближающиеся к наблюдениям, сделанным в реальном мире. Поэтому у нас есть основания полагать, что уравнения КХД не врут, и что наше знание протона и нейтрона основано на верных уравнениях. Но просто иметь правильные уравнения недостаточно, ибо:

Из-за внутренней сложности нуклонов вам, читатель, придётся сделать выбор: как много вы хотите узнать по поводу описанной сложности? Неважно, как далеко вы зайдёте, удовлетворения это вам, скорее всего, не принесёт: чем больше вы будете узнавать, тем понятнее вам будет становиться тема, но итоговый ответ останется тем же – протон и нейтрон очень сложны. Я могу предложить вам три уровня понимания, с увеличением детализации; вы же можете остановиться после любого уровня и перейти на другие темы, или можете погружаться до последнего. По поводу каждого уровня возникают вопросы, ответы на которые я могу частично дать в следующем, но новые ответы вызывают новые вопросы. В итоге – как я делаю в профессиональных обсуждениях с коллегами и продвинутыми студентами – я могу лишь отослать вас к данным полученным в реальных экспериментах, к различным влиятельным теоретическим аргументам, и компьютерным симуляциям.

Первый уровень понимания

Из чего состоят протоны и нейтроны?

Рис. 1: чрезмерно упрощённая версия протонов, состоящих только из двух верхних кварков и одного нижнего, и нейтронов, состоящих только из двух нижних кварков и одного верхнего

Чтобы упростить дело, во многих книгах, статьях и на сайтах указано, что протоны состоят из трёх кварков (двух верхних и одно нижнего) и рисуют нечто вроде рис. 1. Нейтрон такой же, только состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые учёные, в основном в 1960-х. Но вскоре стало понятно, что эта точка зрения чрезмерно упрощена до такой степени, что уже не является корректной.

Из более искушённых источников информации вы узнаете, что протоны состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), удерживаемых вместе глюонами – и там может появиться картинка, похожая на рис. 2, где глюоны нарисованы в виде пружинок или ниток, удерживающих кварки. Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними.

Рис. 2: улучшение рис. 1 за счёт акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне

Не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он делает акцент на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счёт глюонов (точно так же, как с электромагнитным взаимодействием связан фотон, частица, из которых состоит свет). Но это тоже сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают.

Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я делал в других статьях: протон состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном это верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных). Все они летают туда и сюда с очень большой скоростью (приближаясь к скорости света); весь этот набор удерживается при помощи сильного ядерного взаимодействия. Я продемонстрировал это на рис. 3. Нейтроны опять такие же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; изменивший принадлежность кварк указан стрелкой.

Рис. 3: более реалистичное, хотя всё равно неидеальное изображение протонов и нейтронов

Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся туда-сюда, но и сталкиваются друг с другом, и превращаются друг в друга через такие процессы, как аннигиляция частиц (в которой кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или наоборот) или поглощение и испускание глюона (в котором могут столкнуться кварк и глюон и породить кварк и два глюона, или наоборот).

Что у этих трёх описаний общего:

В некотором смысле рис. 2 пытается устранить разницу между рис. 1 и рис. 3. Он упрощает рис. 3, удаляя множество пар кварк-антикварк, которые, в принципе, можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно возникают и исчезают, и не являются необходимыми. Но она производит впечатление того, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны. И она не объясняет, откуда берётся масса протона.

У рис. 1 есть другой недостаток, кроме узких рамок протона и нейтрона. Она не объясняет некоторые свойства других адронов, к примеру, пиона и ро-мезона. Те же проблемы есть и у рис. 2.

Эти ограничения и привели к тому, что своим студентам и на моём сайте, я даю картинку с рис. 3. Но хочу предупредить, что и у неё есть множество ограничений, которые я рассмотрю позже.

Масса протона и масса нейтрона

Поскольку массы протона и нейтрона так похожи, и поскольку протон и нейтрон отличаются только заменой верхнего кварка нижним, кажется вероятным, что их массы обеспечиваются одним и тем же способом, исходят из одного источника, и их разница заключается в небольшом отличии между верхним и нижним кварками. Но три приведённых рисунка говорят о наличии трёх очень разных взглядов на происхождение массы протона.

Рис. 2 менее понятен. Какая часть массы протона существует благодаря глюонам? Но, в принципе, из рисунка следует, что большая часть массы протона всё равно происходит от массы кварков, как на рис. 1.

Рис. 3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле появляется масса протона (как мы можем проверить напрямую через компьютерные вычисления протона, и не напрямую с использованием других математических методов). Он сильно отличается от идей, представленных на рис. 1 и 2, и оказывается не таким простым.

Полезно классифицировать взносы в энергию массы протона по трём группам:

А) Энергия массы (энергия покоя) содержащихся в нём кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не делают).
Б) Энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
В) Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), хранящаяся в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающих протон.

Рис. 3 говорит о том, что частицы внутри протона двигаются с большой скоростью, и что в нём полно безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше А). Обычно, в большинстве физических систем Б) и В) оказываются сравнимыми, при этом В) часто отрицательно. Так что энергия массы протона (и нейтрона) в основном получается из комбинации Б) и В), а А) вносит малую долю. Поэтому массы протона и нейтрона появляются в основном не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, порождающими силы, удерживающие протон. В большинстве других знакомых нам систем баланс энергий распределён по-другому. К примеру, в атомах и в Солнечной системе доминирует А), а Б) и В) получаются гораздо меньше, и сравнимы по величине.

Подводя итоги, укажем, что:

Обратите внимание, что это означает (противореча рис. 1), что отношение массы нижнего кварка к верхнему не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего. Причина того, что массы нейтрона и протона так похожи, не в том, что похожи массы верхнего и нижнего кварков, а в том, что массы верхнего и нижнего кварков очень малы – и разница между ними мала, по отношению к массам протона и нейтрона. Вспомните, что для превращения протона в нейтрон, вам нужно просто заменить один из его верхних кварков на нижний (рис. 3). Этой замены достаточно для того, чтобы сделать нейтрон немного тяжелее протона, и поменять его заряд с +е на 0.

Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, и постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи – энергия сохраняется в любом столкновении. Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов может меняться, как и энергия их взаимодействия, но общая энергия протона не меняется, хотя всё внутри него постоянно меняется. Так что масса протона остаётся постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.

На этом моменте можно остановиться и впитать полученную информацию. Поразительно! Практически вся масса, содержащаяся в обычной материи, происходит из массы нуклонов в атомах. И большая часть этой массы происходит из хаоса, присущего протону и нейтрону – из энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, и из энергии работы сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон в целом состоянии. Да: наша планета, наши тела, наше дыхание являются результатом такого тихого, и, до недавнего времени, невообразимого столпотворения.

Источник