Нейтроны имеют какой заряд

Физика

Нейтро́н (от лат. neuter – ни тот ни другой; символ n), элементарная частица с нулевым электрическим зарядом и массой, незначительно большей массы протона . Нейтрон является фермионом и входит в группу барионов . Наряду с протоном нейтрон относится к нуклонам и входит в состав атомных ядер. Открыт в 1932 г. Дж. Чедвиком . Так как нейтрон электрически нейтрален, он легко проникает в атомные ядра при любой энергии и с большой вероятностью вызывает ядерные реакции . Способность нейтронов вызывать деление тяжёлых ядер в цепной ядерной реакции послужила основой для создания ядерного оружия и ядерной энергетики. Масса нейтрона m n = 939 , 565379 ( 21 ) МэВ = 1 , 00866491600 ( 43 ) а . е . м . = 1 , 674927351 ( 74 ) ⋅ 1 0 – 24 г . m_n=939,565379(21): МэВ=1,00866491600(43): а. е. м.=1,674927351(74)·10^: г. m n ​ = 939 , 565379 ( 21 ) МэВ = 1 , 00866491600 ( 43 ) а . е . м . = 1 , 674927351 ( 74 ) ⋅ 1 0 –24 г .

Нейтрон тяжелее протона на 1 , 293332 МэВ 1,293332: МэВ 1 , 293332 МэВ . Спин нейтрона равен 1 /2. В свободном состоянии нейтрон нестабилен – распадается на протон, электрон и антинейтрино ; время жизни составляет 885 , 7 ( 8 ) 885,7(8) 885 , 7 ( 8 ) с. В связанном состоянии в составе стабильных ядер нейтрон стабилен. Несмотря на электронейтральность нейтрона, его магнитный момент существенно отличен от нуля: μ n = – 1 , 91304272 ( 45 ) μ яд μ_n=–1,91304272(45)μ_ μ n ​ = –1 , 91304272 ( 45 ) μ яд ​ , где μ яд μ_ μ яд ​ – ядерный магнетон , знак магнитного момента определяется относительно направления его спина. Отношение к магнитному моменту протона равно примерно – 2 /3, что согласуется с кварковой структурой нуклонов.

Статический электрический дипольный момент точечной частицы должен быть тождественно равен нулю. Стандартная модель элементарных частиц предполагает малое разделение положительного и отрицательного заряда внутри нейтрона и предсказывает существование электрического дипольного момента, но его расчётная величина мала и остаётся за пределами экспериментального обнаружения.

Согласно современной кварковой модели, нейтрон состоит из трёх кварков : одного u u u -кварка с электрическим зарядом + 2 /3 e e e и двух d d d -кварков с зарядами – 1 /3 e e e , связанных между собой глюонами . Квантовые числа нейтрона целиком определяются набором составляющих его кварков, а пространственная структура – динамикой взаимодействия кварков и глюонов. Особенностью этого взаимодействия является его рост с увеличением расстояния, так что размер нейтрона ограничен областью порядка 10 –13 см – областью конфайнмента кварков. Античастица нейтрона – антинейтрон ( n ~ ) (ñ) ( n ~ ) – открыт в 1956 г.; в пределах точности измерений массы обеих частиц равны.

Свободные нейтроны в природе образуются в ядерных реакциях, вызываемых альфа-частицами радиоактивного распада, космическими лучами , и в результате спонтанного или вынужденного деления тяжёлых ядер. Искусственные источники нейтронов – ядерные реакторы, ядерные взрывы, ускорители протонов и электронов с мишенями из тяжёлых элементов.

Протоны, нейтроны, электроны

Поскольку нейтрон не имеет электрического заряда, детектирование его посредством ионизации атомов вещества невозможно. Для регистрации нейтронов обычно используются два косвенных метода: захват нейтронов атомными ядрами с последующим излучением ядром α α α -частицы или гамма-кванта и рассеяние нейтронов на ядрах вещества с последующей регистрацией ядра отдачи.

Методы использования нейтронов в научных и прикладных исследованиях зависят от их кинетической энергии. Нейтроны с кинетической энергией свыше 100 кэВ называют быстрыми, с энергией до 100 кэВ – медленными. Быстрые нейтроны образуются в ядерных реакциях при бомбардировке различных ядер заряженными частицами или γ γ γ -квантами высокой энергии, а также при делении ядер. Медленные нейтроны подразделяют на промежуточные (с энергиями 10 4 –10 5 эВ), резонансные (0,5–10 4 эВ), тепловые нейтроны (5·10 –3 –0,5 эВ), холодные нейтроны (10 –7 –5·10 –3 эВ) и ультрахолодные нейтроны ( 10 –7 эВ). Тепловые нейтроны с большой вероятностью захватываются веществом с образованием, как правило, нестабильных, более тяжёлых изотопов атомных ядер. Холодные нейтроны образуются из тепловых при прохождении через холодные вещества, например через жидкий дейтерий . Ультрахолодные нейтроны формируются при упругом рассеянии на твёрдом дейтерии или на жидком сверхтекучем гелии .

Для медленных нейтронов определяющим фактором становятся их волновые свойства. Нейтроны с длиной волны, близкой к межатомным расстояниям (около 0,1 нм), являются важнейшим средством исследования структуры твёрдых тел . Медленные нейтроны, подобно фотонам , рассеиваясь на атомах твёрдого вещества, интерферируют . Структура наблюдаемой дифракции нейтронов связана со строением исследуемой среды. Наличие у нейтронов магнитного момента делает пучки поляризованных нейтронов чрезвычайно чувствительным инструментом для исследования распределения намагниченности в веществе.

Особенностью взаимодействия нейтронов с веществом является показатель преломления, меньший единицы. Благодаря этому нейтроны, падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутреннее отражение. Ультрахолодные нейтроны при скорости менее 5–8 м/с испытывают полное внутреннее отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и другими при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрaхолодных нейтронов используется в экспериментах и позволяет реализовать нейтронно-оптические устройства , аналоги оптических линз и призм.

Способность нейтронов при облучении вещества вызывать последующее излучение γ γ γ -квантов используется для активационного анализа . Спектр испущенных γ γ γ -квантов сопоставляется с таблицей линий излучения известных химических элементов и позволяет с высокой точностью определить химический состав вещества.

Нейтрон – одна из немногих элементарных частиц, падение которой в гравитационном поле Земли можно наблюдать экспериментально. Прямое измерение ускорения свободного падения для нейтрона выполнено с погрешностью 0,3 % и не отличается от ускорения свободного падения для макроскопических тел. Гравитационное ускорение и замедление нейтронов широко используются в опытах с ультрахолодными нейтронами.

Согласно современным представлениям, в модели горячей Вселенной образование барионов, в том числе протонов и нейтронов, происходит в первые минуты жизни Вселенной. В дальнейшем некоторая часть нейтронов, не успевших распасться, захватывается протонами с образованием ядер 4 He ^4text 4 He . По астрономическим оценкам, 15 % видимого вещества Вселенной представлено нейтронами, входящими в состав ядер 4 He ^4text 4 He .

Опубликовано 18 июля 2022 г. в 10:23 (GMT+3). Последнее обновление 18 октября 2022 г. в 20:15 (GMT+3). Связаться с редакцией

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий