Нейтрон — составная частица атомного ядра¶

Нейтрон — составная элементарная частица с нулевым электрическим зарядом и массой, превышающей массу протона примерно на 0,13 %. Нейтрон входит в число трёх основных нуклонов (наряду с протоном и электроном), из которых построены атомные ядра. Обозначается символом n, барический номер — 0, спин — ½. Нейтрон не участвует в электромагнитном взаимодействии, но испытывает сильное и гравитационное взаимодействие, а также слабое — при бета-распаде.

¶Открытие

Нейтрон был открыт 27 февраля 1932 года британским физиком Джеймсом Чедвиком, работавшим в Кавендишской лаборатории под руководством Эрнеста Резерфорда. Чедвик обнаружил, что при бомбардировке бериллия альфа-частицами образуется излучение, которое не отклоняется электрическим полем и проникает через толстые слои свинца. Интерпретируя результаты экспериментов, Чедвик пришёл к выводу о существовании незаряженной частицы с массой, близкой к массе протона. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

¶Свойства

Нейтрон состоит из трёх кварков: одного верхнего (u) и двух нижних (d). В отличие от протона (uud), суммарный электрический заряд кварков в нейтроне равен нулю. Магнитный момент нейтрона не равен нулю, что указывает на внутреннюю кварковую структуру частицы.

¶Свободный нейтрон и распад

Свободный нейтрон нестабилен: он распадается на протон, электрон и антинейтрино со средним временем жизни около 879 секунд. Этот процесс называется бета-распадом и осуществляется по схеме:

n → p + e⁻ + ν̄ₑ

Внутри стабильных ядер нейтроны, как правило, устойчивы — распад блокируется энергетическими условиями. Исключение составляют некоторые лёгкие ядра (например, тритий и бериллий-10), которые распадаются по бета-механизму.

¶Роль в ядрах атомов

Нейтроны удерживают протоны в ядре, преодолевая кулоновское отталкивание одноимённо заряженных протонов. Сильное взаимодействие, осуществляемое посредством обмена пионами, компенсирует электромагнитное расталкивание. Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре определяется линией стабильности: для лёгких ядер оно близко к единице, для тяжёлых — возрастает до 1,5 и более.

Изотопы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов обладают сходными химическими свойствами, но различной массой и ядерными свойствами. Именно нейтронный состав определяет, стабилен ли изотоп.

¶Взаимодействие нейтронов с веществом

Нейтральный заряд делает нейтроны слабо взаимодействующими с электронной оболочкой атомов. Вследствие этого нейтроны обладают высокой проникающей способностью и могут проникать на большие глубины в плотные материалы. При замедлении (торможении) до тепловых энергий (около 0,025 эВ) сечение захвата нейтронов многими ядрами резко возрастает. Этот эффект лежит в основе работы ядерных реакторов.

¶Медленные и быстрые нейтроны

По кинетической энергии нейтроны подразделяются на:

• Тепловые — энергия ≈ 0,025 эВ, находятся в тепловом равновесии с веществом;
• Эпитермальные — промежуточная энергия от 0,5 эВ до 0,1 МэВ;
• Быстрые — энергия свыше 0,1 МэВ, возникают при делении ядер и термоядерных реакциях.

Для поддержания цепной реакции деления в реакторах быстрые нейтроны замедляются с помощью замедлителей — воды, тяжёлой воды, графита или бериллия.

¶Применение

Нейтронный поток используется в ядерной энергетике для поддержания управляемой цепной реакции деления. В ядерном оружии цепная реакция протекает без замедлителя (быстрые нейтроны) и неуправляема.

Нейтронография — метод исследования структуры вещества, основанный на дифракции нейтронов на кристаллических решётках. В отличие от рентгеновской дифракции, нейтроны чувствительны к положению ядер, а не электронов, что позволяет различать изотопы и лёгкие элементы (в частности, водород).

Нейтронно-активационный анализ применяется для элементного состава вещества. Нейтронная захватная терапия — перспективный метод лечения некоторых видов рака, основанный на захвате нейтронов ядрами бора-10.

¶Антинейтрон

В 1956 году в Беркли был открыт антинейтрон — античастица нейтрона, отличающаяся от него знаками всех квантовых чисел. Антинейтрон, встретившись с нейтроном, аннигилирует с образованием мюонов или пионов.

¶Интересные факты

• Нейтрон впервые был теоретически предсказан Резерфордом ещё в 1920 году на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки, хотя экспериментальное подтверждение пришло только через 12 лет.
• Нейтронная звезда — объект астрономии, целиком состоящий из нейтронной материи, плотность которой достигает 10¹⁷ кг/м³.
• Нейтронный парамагнитный резонанс — метод, позволяющий исследовать объекты, содержащие нейтроны, включая ядра и нейтронные звёзды.

¶Источники

• Чедвик Дж. «Существование нейтрона», Proceedings of the Royal Society A, 1932.
• Клайн Р. «Нейтронная физика», пер. с англ., М., Атомиздат.
• Франк-Каменецкий Д. А. «Лекции по физике ядра», М., Наука.
• Сегре Э. «От рентгеновских лучей до античастиц», пер. с англ., М., Мир.
• Богословский Н. П., Сорокин В. А. «Ядерная физика», учебник для вузов.