Neutron

This article is about the subatomic particle. For other uses, see Neutron (disambiguation).

Not to be confused with Neuron or Neutrino.

Neutron

The quark content of the neutron. The color assignment of individual quarks is arbitrary, but all three colors must be present. Forces between quarks are mediated by gluons.
Classification	Baryon
Composition	1 up quark, 2 down quarks
Statistics	Fermionic
Family	Hadron
Interactions	Gravity, weak, strong, electromagnetic
Symbol	n , n0 , N0
Antiparticle	Antineutron
Theorized	Ernest Rutherford (1920)
Discovered	James Chadwick (1932)
Mass	1.67492749804(95)×10−27 kg 939.56542052(54) MeV/c2 1.00866491588(49) Da
Mean lifetime	878.4(5) s (free)
Electric charge	0 e (−2±8)×10−22 e (experimental limits)
Electric dipole moment	< 1.8×10−26 e⋅cm (experimental upper limit)
Electric polarizability	1.16(15)×10−3 fm3
Magnetic moment	−0.96623650(23)×10−26 J·T−1 −1.04187563(25)×10−3 μB −1.91304273(45) μN
Magnetic polarizability	3.7(20)×10−4 fm3
Spin	⁠1/2⁠ ħ
Isospin	−⁠1/2⁠
Parity	+1
Condensed	I(JP) = ⁠1/2⁠(⁠1/2⁠+)

The neutron is a subatomic particle, symbol
n
or
n⁰
, which has a neutral (not positive or negative) charge, and a mass slightly greater than that of a proton. Protons and neutrons constitute the nuclei of atoms. Since protons and neutrons behave similarly within the nucleus, they are both referred to as nucleons. Nucleons have a mass of approximately one atomic mass unit, or dalton (symbol: Da). Their properties and interactions are described by nuclear physics. Protons and neutrons are not elementary particles; each is composed of three quarks.

The chemical properties of an atom are mostly determined by the configuration of electrons that orbit the atom's heavy nucleus. The electron configuration is determined by the charge of the nucleus, which is determined by the number of protons, or atomic number. The number of neutrons is the neutron number. Neutrons do not affect the electron configuration.

Atoms of a chemical element that differ only in neutron number are called isotopes. For example, carbon, with atomic number 6, has an abundant isotope carbon-12 with 6 neutrons and a rare isotope carbon-13 with 7 neutrons. Some elements occur in nature with only one stable isotope, such as fluorine. Other elements occur with many stable isotopes, such as tin with ten stable isotopes, or with no stable isotope, such as technetium.

The properties of an atomic nucleus depend on both atomic and neutron numbers. With their positive charge, the protons within the nucleus are repelled by the long-range electromagnetic force, but the much stronger, but short-range, nuclear force binds the nucleons closely together. Neutrons are required for the stability of nuclei, with the exception of the single-proton hydrogen nucleus. Neutrons are produced copiously in nuclear fission and fusion. They are a primary contributor to the nucleosynthesis of chemical elements within stars through fission, fusion, and neutron capture processes.

The neutron is essential to the production of nuclear power. In the decade after the neutron was discovered by James Chadwick in 1932, neutrons were used to induce many different types of nuclear transmutations. With the discovery of nuclear fission in 1938, it was quickly realized that, if a fission event produced neutrons, each of these neutrons might cause further fission events, in a cascade known as a nuclear chain reaction. These events and findings led to the first self-sustaining nuclear reactor (Chicago Pile-1, 1942) and the first nuclear weapon (Trinity, 1945).

Dedicated neutron sources like neutron generators, research reactors and spallation sources produce free neutrons for use in irradiation and in neutron scattering experiments. A free neutron spontaneously decays to a proton, an electron, and an antineutrino, with a mean lifetime of about 15 minutes. Free neutrons do not directly ionize atoms, but they do indirectly cause ionizing radiation, so they can be a biological hazard, depending on dose. A small natural "neutron background" flux of free neutrons exists on Earth, caused by cosmic ray showers, and by the natural radioactivity of spontaneously fissionable elements in the Earth's crust.

Neutrons in an atomic nucleus

An atomic nucleus is formed by a number of protons, Z (the atomic number), and a number of neutrons, N (the neutron number), bound together by the nuclear force. Protons and neutrons each have a mass of approximately one dalton. The atomic number determines the chemical properties of the atom, and the neutron number determines the isotope or nuclide. The terms isotope and nuclide are often used synonymously, but they refer to chemical and nuclear properties, respectively. Isotopes are nuclides with the same atomic number, but different neutron number. Nuclides with the same neutron number, but different atomic number, are called isotones. The atomic mass number, A, is equal to the sum of atomic and neutron numbers. Nuclides with the same atomic mass number, but different atomic and neutron numbers, are called isobars. The mass of a nucleus is always slightly less than the sum of its proton and neutron masses: the difference in mass represents the mass equivalent to nuclear binding energy, the energy which would need to be added to take the nucleus apart.

The nucleus of the most common isotope of the hydrogen atom (with the chemical symbol ¹H) is a lone proton. The nuclei of the heavy hydrogen isotopes deuterium (D or ²H) and tritium (T or ³H) contain one proton bound to one and two neutrons, respectively. All other types of atomic nuclei are composed of two or more protons and various numbers of neutrons. The most common nuclide of the common chemical element lead, ²⁰⁸Pb, has 82 protons and 126 neutrons, for example. The table of nuclides comprises all the known nuclides. Even though it is not a chemical element, the neutron is included in this table.

Nuclear fission caused by absorption of a neutron by uranium-235. The heavy nuclide fragments into lighter components and additional neutrons.

Protons and neutrons behave almost identically under the influence of the nuclear force within the nucleus. They are therefore both referred to collectively as nucleons. The concept of isospin, in which the proton and neutron are viewed as two quantum states of the same particle, is used to model the interactions of nucleons by the nuclear or weak forces.

Nuclear energy

Because of the strength of the nuclear force at short distances, the nuclear energy binding nucleons is many orders of magnitude greater than the electromagnetic energy binding electrons in atoms. In nuclear fission, the absorption of a neutron by some heavy nuclides (such as uranium-235) can cause the nuclide to become unstable and break into lighter nuclides and additional neutrons. The positively charged light nuclides, or "fission fragments", then repel, releasing electromagnetic potential energy. If this reaction occurs within a mass of fissile material, the additional neutrons cause additional fission events, inducing a cascade known as a nuclear chain reaction. For a given mass of fissile material, such nuclear reactions release energy that is approximately ten million times that from an equivalent mass of a conventional chemical explosive. Ultimately, the ability of the nuclear force to store energy arising from the electromagnetic repulsion of nuclear components is the basis for most of the energy that makes nuclear reactors or bombs possible; most of the energy released from fission is the kinetic energy of the fission fragments.

A schematic of the nucleus of an atom indicating
β⁻
radiation, the emission of a fast electron from the nucleus. The decay also creates an antineutrino (omitted) and converts a neutron to a proton within the nucleus.
The inset shows beta decay of a free neutron; an electron and antineutrino are created in this process.

Beta decay

Main article: Beta decay

Neutrons and protons within a nucleus behave similarly and can exchange their identities by similar reactions. These reactions are a form of radioactive decay known as beta decay. Beta decay, in which neutrons decay to protons, or vice versa, is governed by the weak force, and it requires the emission or absorption of electrons and neutrinos, or their antiparticles. The neutron and proton decay reactions are:

n⁰
→
p⁺
+
e⁻
+
ν
_e

where
p⁺
,
e⁻
, and
ν
_e denote the proton, electron and electron anti-neutrino decay products, and

p⁺
→
n⁰
+
e⁺
+
ν
_e

where
n⁰
,
e⁺
, and
ν
_e denote the neutron, positron and electron neutrino decay products.

The electron and positron produced in these reactions are historically known as beta particles, denoted β⁻ or β⁺ respectively, lending the name to the decay process. In these reactions, the original particle is not composed of the product particles; rather, the product particles are created at the instant of the reaction.

The "free" neutron

Main article: Free neutron decay

"Free" neutrons or protons are nucleons that exist independently, free of any nucleus.

The free neutron has a mass of 939565413.3 eV/c², or 939.5654133 MeV/c². This mass is equal to 1.674927471×10⁻²⁷ kg, or 1.00866491588 Da. The neutron has a mean-square radius of about 0.8×10⁻¹⁵ m, or 0.8 fm, and it is a spin-½ fermion. The neutron has no measurable electric charge. With its positive electric charge, the proton is directly influenced by electric fields, whereas the neutron is unaffected by electric fields. The neutron has a magnetic moment, however, so it is influenced by magnetic fields. The specific properties of the neutron are described below in the Intrinsic properties section.

Outside the nucleus, free neutrons undergo beta decay with a mean lifetime of about 14 minutes, 38 seconds, corresponding to a half-life of about 10 minutes, 11 s. The mass of the neutron is greater than that of the proton by 1.29332 MeV/c², hence the neutron's mass provides energy sufficient for the creation of the proton, electron, and anti-neutrino. In the decay process, the proton, electron, and electron anti-neutrino conserve the energy, charge, and lepton number of the neutron. The electron can acquire a kinetic energy up to 0.782±0.013 MeV.

Still unexplained, different experimental methods for measuring the neutron's lifetime, the "bottle" and "beam" methods, produce different values for it. The "bottle" method employs "cold" neutrons trapped in a bottle, while the "beam" method employs energetic neutrons in a particle beam. The measurements by the two methods have not been converging with time. The lifetime from the bottle method is presently 877.75 s which is 10 seconds below the value from the beam method of 887.7 s

A small fraction (about one per thousand) of free neutrons decay with the same products, but add an extra particle in the form of an emitted gamma ray:

n⁰
→
p⁺
+
e⁻
+
ν
_e +
γ

Called a "radiative decay mode" of the neutron, the gamma ray may be thought of as resulting from an "internal bremsstrahlung" that arises from the electromagnetic interaction of the emitted beta particle with the proton.

A smaller fraction (about four per million) of free neutrons decay in so-called "two-body (neutron) decays", in which a proton, electron and antineutrino are produced as usual, but the electron fails to gain the 13.6 eV necessary energy to escape the proton (the ionization energy of hydrogen), and therefore simply remains bound to it, forming a neutral hydrogen atom (one of the "two bodies"). In this type of free neutron decay, almost all of the neutron decay energy is carried off by the antineutrino (the other "body"). (The hydrogen atom recoils with a speed of only about (decay energy)/(hydrogen rest energy) times the speed of light, or 250 km/s.)

Neutrons and protons bound in a nucleus

Main articles: Atomic nucleus and Nuclear physics

See also: Valley of stability, Beta-decay stable isobars, and Neutron emission

Neutrons are a necessary constituent of any atomic nucleus that contains more than one proton. As a result of their positive charges, interacting protons have a mutual electromagnetic repulsion that is stronger than their attractive nuclear interaction, so proton-only nuclei are unstable (see diproton and neutron–proton ratio). Neutrons bind with protons and one another in the nucleus via the nuclear force, effectively moderating the repulsive forces between the protons and stabilizing the nucleus. Heavy nuclei carry a large positive charge, hence they require "extra" neutrons to be stable.

While a free neutron is unstable and a free proton is stable, within nuclei neutrons are often stable and protons are sometimes unstable. When bound within a nucleus, nucleons can decay by the beta decay process. The neutrons and protons in a nucleus form a quantum mechanical system according to the nuclear shell model. Protons and neutrons of a nuclide are organized into discrete hierarchical energy levels with unique quantum numbers. Nucleon decay within a nucleus can occur if allowed by basic energy conservation and quantum mechanical constraints. The decay products, that is, the emitted particles, carry away the energy excess as a nucleon falls from one quantum state to one with less energy, while the neutron (or proton) changes to a proton (or neutron).

For a neutron to decay, the resulting proton requires an available state at lower energy than the initial neutron state. In stable nuclei the possible lower energy states are all filled, meaning each state is occupied by a pair of protons, one with spin up, another with spin down. When all available proton states are filled, the Pauli exclusion principle disallows the decay of a neutron to a proton. The situation is similar to electrons of an atom, where electrons that occupy distinct atomic orbitals are prevented by the exclusion principle from decaying to lower, already-occupied, energy states. The stability of matter is a consequences of these constraints.

The decay of a neutron within a nuclide is illustrated by the decay of the carbon isotope carbon-14, which has 6 protons and 8 neutrons. With its excess of neutrons, this isotope decays by beta decay to nitrogen-14 (7 protons, 7 neutrons), a process with a half-life of about 5,730 years. Nitrogen-14 is stable.

"Beta decay" reactions can also occur by the capture of a lepton by the nucleon. The transformation of a proton to a neutron inside of a nucleus is possible through electron capture:

p⁺
+
e⁻
→
n⁰
+
ν
_e

A rarer reaction, inverse beta decay, involves the capture of a neutrino by a nucleon. Rarer still, positron capture by neutrons can occur in the high-temperature environment of stars.

Competition of beta decay types

Three types of beta decay in competition are illustrated by the single isotope copper-64 (29 protons, 35 neutrons), which has a half-life of about 12.7 hours. This isotope has one unpaired proton and one unpaired neutron, so either the proton or the neutron can decay. This particular nuclide is almost equally likely to undergo proton decay (by positron emission, 18% or by electron capture, 43%; both forming ⁶⁴
Ni
) or neutron decay (by electron emission, 39%; forming ⁶⁴
Zn
).

The neutron in elementary particle physics - the Standard Model

The principal Feynman diagram for
β⁻
 decay of a neutron into a proton, electron, and electron antineutrino via an intermediate heavy
W⁻
boson

The principal Feynman diagram for
β⁺
 decay of a proton into a neutron, positron, and electron neutrino via an intermediate heavy
W⁺
boson

Main article: Standard Model

Within the theoretical framework of the Standard Model for particle physics, a neutron comprises two down quarks with charge −⁠1/3⁠e and one up quark with charge +⁠2/3⁠e. The neutron is therefore a composite particle classified as a hadron. The neutron is also classified as a baryon, because it is composed of three valence quarks. The finite size of the neutron and its magnetic moment both indicate that the neutron is a composite, rather than elementary, particle.

The quarks of the neutron are held together by the strong force, mediated by gluons. The nuclear force results from secondary effects of the more fundamental strong force.

The only possible decay mode for the neutron that conserves baryon number is for one of the neutron's quarks to change flavour via the weak interaction. The decay of one of the neutron's down quarks into a lighter up quark can be achieved by the emission of a W boson. By this process, the Standard Model description of beta decay, the neutron decays into a proton (which contains one down and two up quarks), an electron, and an electron antineutrino.

The decay of the proton to a neutron occurs similarly through the weak force. The decay of one of the proton's up quarks into a down quark can be achieved by the emission of a W boson. The proton decays into a neutron, a positron, and an electron neutrino. This reaction can only occur within an atomic nucleus which has a quantum state at lower energy available for the created neutron.

Discovery

Main article: Discovery of the neutron

The story of the discovery of the neutron and its properties is central to the extraordinary developments in atomic physics that occurred in the first half of the 20th century, leading ultimately to the atomic bomb in 1945. In the 1911 Rutherford model, the atom consisted of a small positively charged massive nucleus surrounded by a much larger cloud of negatively charged electrons. In 1920, Ernest Rutherford suggested that the nucleus consisted of positive protons and neutrally charged particles, suggested to be a proton and an electron bound in some way. Electrons were assumed to reside within the nucleus because it was known that beta radiation consisted of electrons emitted from the nucleus. About the time Rutherford suggested the neutral proton-electron composite, several other publications appeared making similar suggestions, and in 1921 the American chemist W. D. Harkins first named the hypothetical particle a "neutron". The name derives from the Latin root for neutralis (neuter) and the Greek suffix -on (a suffix used in the names of subatomic particles, i.e. electron and proton). References to the word neutron in connection with the atom can be found in the literature as early as 1899, however.

Throughout the 1920s, physicists assumed that the atomic nucleus was composed of protons and "nuclear electrons", but this raised obvious problems. It was difficult to reconcile the proton–electron model of the nucleus with the Heisenberg uncertainty relation of quantum mechanics. The Klein paradox, discovered by Oskar Klein in 1928, presented further quantum mechanical objections to the notion of an electron confined within a nucleus. The observed properties of atoms and molecules were inconsistent with the nuclear spin expected from the proton–electron hypothesis. Protons and electrons both carry an intrinsic spin of ⁠1/2⁠ħ, and the isotopes of the same species were found to have either integer or fractional spin. By the hypothesis, isotopes would be composed of the same number of protons, but differing numbers of neutral bound proton+electron "particles". This physical picture was a contradiction, since there is no way to arrange the spins of an electron and a proton in a bound state to get a fractional spin.

In 1931, Walther Bothe and Herbert Becker found that if alpha particle radiation from polonium fell on beryllium, boron, or lithium, an unusually penetrating radiation was produced. The radiation was not influenced by an electric field, so Bothe and Becker assumed it was gamma radiation. The following year Irène Joliot-Curie and Frédéric Joliot-Curie in Paris showed that if this "gamma" radiation fell on paraffin, or any other hydrogen-containing compound, it ejected protons of very high energy. Neither Rutherford nor James Chadwick at the Cavendish Laboratory in Cambridge were convinced by the gamma ray interpretation. Chadwick quickly performed a series of experiments that showed that the new radiation consisted of uncharged particles with about the same mass as the proton. These properties matched Rutherford's hypothesized neutron. Chadwick won the 1935 Nobel Prize in Physics for this discovery.

Models depicting the nucleus and electron energy levels in hydrogen, helium, lithium, and neon atoms. In reality, the diameter of the nucleus is about 100,000 times smaller than the diameter of the atom.

Models for an atomic nucleus consisting of protons and neutrons were quickly developed by Werner Heisenberg and others. The proton–neutron model explained the puzzle of nuclear spins. The origins of beta radiation were explained by Enrico Fermi in 1934 by the process of beta decay, in which the neutron decays to a proton by creating an electron and a (at the time undiscovered) neutrino. In 1935, Chadwick and his doctoral student Maurice Goldhaber reported the first accurate measurement of the mass of the neutron.

By 1934, Fermi had bombarded heavier elements with neutrons to induce radioactivity in elements of high atomic number. In 1938, Fermi received the Nobel Prize in Physics "for his demonstrations of the existence of new radioactive elements produced by neutron irradiation, and for his related discovery of nuclear reactions brought about by slow neutrons". In December 1938 Otto Hahn, Lise Meitner, and Fritz Strassmann discovered nuclear fission, or the fractionation of uranium nuclei into lighter elements, induced by neutron bombardment. In 1945 Hahn received the 1944 Nobel Prize in Chemistry "for his discovery of the fission of heavy atomic nuclei".

The discovery of nuclear fission would lead to the development of nuclear power and the atomic bomb by the end of World War II. It was quickly realized that, if a fission event produced neutrons, each of these neutrons might cause further fission events, in a cascade known as a nuclear chain reaction. These events and findings led Fermi to construct the Chicago Pile-1 at the University of Chicago in 1942, the first self-sustaining nuclear reactor. Just three years later the Manhattan Project was able to test the first atomic bomb, the Trinity nuclear test in July 1945.

Properties

Mass

The mass of a neutron cannot be directly determined by mass spectrometry since it has no electric charge. But since the masses of a proton and of a deuteron can be measured with a mass spectrometer, the mass of a neutron can be deduced by subtracting proton mass from deuteron mass, with the difference being the mass of the neutron plus the binding energy of deuterium (expressed as a positive emitted energy). The latter can be directly measured by measuring the energy ($B_{d}$) of the single 2.224 MeV gamma photon emitted when a deuteron is formed by a proton capturing a neutron (this is exothermic and happens with zero-energy neutrons). The small recoil kinetic energy ($E_{rd}$) of the deuteron (about 0.06% of the total energy) must also be accounted for.

$m_{n}=m_{d}-m_{p}+B_{d}-E_{rd}$

The energy of the gamma ray can be measured to high precision by X-ray diffraction techniques, as was first done by Bell and Elliot in 1948. The best modern (1986) values for neutron mass by this technique are provided by Greene, et al. These give a neutron mass of:

m_neutron = 1.008644904(14) Da

The value for the neutron mass in MeV is less accurately known, due to less accuracy in the known conversion of Da to MeV/c²:

m_neutron = 939.56563(28) MeV/c².

Another method to determine the mass of a neutron starts from the beta decay of the neutron, when the momenta of the resulting proton and electron are measured.

Spin

The neutron is a spin ⁠1/2⁠ particle, that is, it is a fermion with intrinsic angular momentum equal to ⁠1/2⁠ ħ, where ħ is the reduced Planck constant. For many years after the discovery of the neutron, its exact spin was ambiguous. Although it was assumed to be a spin ⁠1/2⁠ Dirac particle, the possibility that the neutron was a spin ⁠3/2⁠ particle lingered. The interactions of the neutron's magnetic moment with an external magnetic field were exploited to finally determine the spin of the neutron. In 1949, Hughes and Burgy measured neutrons reflected from a ferromagnetic mirror and found that the angular distribution of the reflections was consistent with spin ⁠1/2⁠. In 1954, Sherwood, Stephenson, and Bernstein employed neutrons in a Stern–Gerlach experiment that used a magnetic field to separate the neutron spin states. They recorded two such spin states, consistent with a spin ⁠1/2⁠ particle.

As a fermion, the neutron is subject to the Pauli exclusion principle; two neutrons cannot have the same quantum numbers. This is the source of the degeneracy pressure which counteracts gravity in neutron stars and prevents them from forming black holes.

See also: Delta baryon

Magnetic moment

Main article: Nucleon magnetic moment

Even though the neutron is a neutral particle, the magnetic moment of a neutron is not zero. The neutron is not affected by electric fields, but it is affected by magnetic fields. The value for the neutron's magnetic moment was first directly measured by Luis Alvarez and Felix Bloch at Berkeley, California, in 1940. Alvarez and Bloch determined the magnetic moment of the neutron to be μ_n= −1.93(2) μ_N, where μ_N is the nuclear magneton. The neutron's magnetic moment has a negative value, because its orientation is opposite to the neutron's spin.

The magnetic moment of the neutron is an indication of its quark substructure and internal charge distribution. In the quark model for hadrons, the neutron is composed of one up quark (charge +2/3 e) and two down quarks (charge −1/3 e). The magnetic moment of the neutron can be modeled as a sum of the magnetic moments of the constituent quarks. The calculation assumes that the quarks behave like point-like Dirac particles, each having their own magnetic moment. Simplistically, the magnetic moment of the neutron can be viewed as resulting from the vector sum of the three quark magnetic moments, plus the orbital magnetic moments caused by the movement of the three charged quarks within the neutron.

In one of the early successes of the Standard Model, in 1964 Mirza A.B. Beg, Benjamin W. Lee, and Abraham Pais calculated the ratio of proton to neutron magnetic moments to be −3/2 (or a ratio of −1.5), which agrees with the experimental value to within 3%. The measured value for this ratio is −1.45989805(34).

The above treatment compares neutrons with protons, allowing the complex behavior of quarks to be subtracted out between models, and merely exploring what the effects would be of differing quark charges (or quark type). Such calculations are enough to show that the interior of neutrons is very much like that of protons, save for the difference in quark composition with a down quark in the neutron replacing an up quark in the proton.

The neutron magnetic moment can be roughly computed by assuming a simple nonrelativistic, quantum mechanical wavefunction for baryons composed of three quarks. A straightforward calculation gives fairly accurate estimates for the magnetic moments of neutrons, protons, and other baryons. For a neutron, the result of this calculation is that the magnetic moment of the neutron is given by μ_n= 4/3 μ_d − 1/3 μ_u, where μ_d and μ_u are the magnetic moments for the down and up quarks, respectively. This result combines the intrinsic magnetic moments of the quarks with their orbital magnetic moments, and assumes the three quarks are in a particular, dominant quantum state.

Baryon	Magnetic moment of quark model	Computed ($\mu _{\mathrm {N} }$)	Observed ($\mu _{\mathrm {N} }$)
p	4/3 μu − 1/3 μd	2.79	2.793
n	4/3 μd − 1/3 μu	−1.86	−1.913

The results of this calculation are encouraging, but the masses of the up or down quarks were assumed to be 1/3 the mass of a nucleon. The masses of the quarks are actually only about 1% that of a nucleon. The discrepancy stems from the complexity of the Standard Model for nucleons, where most of their mass originates in the gluon fields, virtual particles, and their associated energy that are essential aspects of the strong force. Furthermore, the complex system of quarks and gluons that constitute a neutron requires a relativistic treatment. But the nucleon magnetic moment has been successfully computed numerically from first principles, including all of the effects mentioned and using more realistic values for the quark masses. The calculation gave results that were in fair agreement with measurement, but it required significant computing resources.

Electric charge

The total electric charge of the neutron is 0 e. This zero value has been tested experimentally, and the present experimental limit for the charge of the neutron is −2(8)×10⁻²² e, or −3(13)×10⁻⁴¹ C. This value is consistent with zero, given the experimental uncertainties (indicated in parentheses). By comparison, the charge of the proton is +1 e.

Structure and geometry of charge distribution

An article published in 2007 featuring a model-independent analysis concluded that the neutron has a negatively charged exterior, a positively charged middle, and a negative core. In a simplified classical view, the negative "skin" of the neutron assists it to be attracted to the protons with which it interacts in the nucleus; but the main attraction between neutrons and protons is via the nuclear force, which does not involve electric charge.

The simplified classical view of the neutron's charge distribution also "explains" the fact that the neutron magnetic dipole points in the opposite direction from its spin angular momentum vector (as compared to the proton). This gives the neutron, in effect, a magnetic moment which resembles a negatively charged particle. This can be reconciled classically with a neutral neutron composed of a charge distribution in which the negative sub-parts of the neutron have a larger average radius of distribution, and therefore contribute more to the particle's magnetic dipole moment, than do the positive parts that are, on average, nearer the core.

Electric dipole moment

Main article: Neutron electric dipole moment

The Standard Model of particle physics predicts a tiny separation of positive and negative charge within the neutron leading to a permanent electric dipole moment. But the predicted value is well below the current sensitivity of experiments. From several unsolved puzzles in particle physics, it is clear that the Standard Model is not the final and full description of all particles and their interactions. New theories going beyond the Standard Model generally lead to much larger predictions for the electric dipole moment of the neutron. Currently, there are at least four experiments trying to measure for the first time a finite neutron electric dipole moment, including:

• Cryogenic neutron EDM experiment being set up at the Institut Laue–Langevin
• n2EDM experiment under construction at the UCN source at the Paul Scherrer Institute
• nEDM experiment being envisaged at the Spallation Neutron Source
• nEDM experiment being built at the Institut Laue–Langevin

Antineutron

Main article: Antineutron

The antineutron is the antiparticle of the neutron. It was discovered by Bruce Cork in 1956, a year after the antiproton was discovered. CPT-symmetry puts strong constraints on the relative properties of particles and antiparticles, so studying antineutrons provides stringent tests on CPT-symmetry. The fractional difference in the masses of the neutron and antineutron is (9±6)×10⁻⁵. Since the difference is only about two standard deviations away from zero, this does not give any convincing evidence of CPT-violation.

Neutron compounds

Dineutrons and tetraneutrons

Main articles: Dineutron and Tetraneutron

The dineutron is considered an unbound isotope with lifetimes around 10^-22 seconds. The first evidence for this state was reported by Haddock et al. in 1965. In 2012, Artemis Spyrou from Michigan State University and coworkers reported that they observed, for the first time, direct dineutron emission in the decay of ¹⁶Be. The dineutron character is evidenced by a small emission angle between the two neutrons. The authors measured the two-neutron separation energy to be 1.35(10) MeV, in good agreement with shell model calculations, using standard interactions for this mass region.

Evidence for unbound clusters of 4 neutrons, or tetraneutron as resonances in the disintegration of beryllium-14 nuclei, in ⁸He-⁸Be interactions, and collisions of ⁴He nuclei give an estimated lifetime around 10^-22 seconds. These discoveries should deepen our understanding of the nuclear forces.

Neutron stars and neutron matter

Main articles: Neutron matter and Neutron star

At extremely high pressures and temperatures, nucleons and electrons are believed to collapse into bulk neutronic matter, called neutron matter. This is presumed to happen in neutron stars.

The extreme pressure inside a neutron star may deform the neutrons into a cubic symmetry, allowing tighter packing of neutrons.

Detection

Main article: Neutron detection

The common means of detecting a charged particle by looking for a track of ionization (such as in a cloud chamber) does not work for neutrons directly. Neutrons that elastically scatter off atoms can create an ionization track that is detectable, but the experiments are not as simple to carry out; other means for detecting neutrons, consisting of allowing them to interact with atomic nuclei, are more commonly used. The commonly used methods to detect neutrons can therefore be categorized according to the nuclear processes relied upon, mainly neutron capture or elastic scattering.

Neutron detection by neutron capture

A common method for detecting neutrons involves converting the energy released from neutron capture reactions into electrical signals. Certain nuclides have a high neutron capture cross section, which is the probability of absorbing a neutron. Upon neutron capture, the compound nucleus emits more easily detectable radiation, for example an alpha particle, which is then detected. The nuclides ³
He
, ⁶
Li
, ¹⁰
B
, ²³³
U
, ²³⁵
U
, ²³⁷
Np
, and ²³⁹
Pu
are useful for this purpose.

Neutron detection by elastic scattering

Нейтроны могут упруго разлетаться от ядер, вызывая отдачу пораженного ядра. Кинематически нейтрон может передать больше энергии легкому ядру, такому как водород или гелий, чем более тяжелому ядру. Детекторы, основанные на упругом рассеянии, называются детекторами быстрых нейтронов. Ядра отдачи могут ионизировать и возбуждать дальнейшие атомы посредством столкновений. Создаваемый таким образом заряд и/или сцинтилляционный свет может быть собран для получения обнаруженного сигнала. Основной проблемой при обнаружении быстрых нейтронов является отличие таких сигналов от ошибочных сигналов, создаваемых гамма-излучением в том же детекторе. Такие методы, как распознавание формы импульса, можно использовать для различения нейтронных сигналов от сигналов гамма-излучения, хотя были разработаны некоторые детекторы на основе неорганических сцинтилляторов. избирательно регистрировать нейтроны в полях смешанного излучения без каких-либо дополнительных методов.

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

Основные статьи: Источник нейтронов , Генератор нейтронов и Исследовательский реактор.

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

Естественный нейтронный фон. Небольшой естественный фоновый поток свободных нейтронов существует повсюду на Земле. В атмосфере и в глубине океана «нейтронный фон» создается мюонами , образующимися при взаимодействии космических лучей с атмосферой. Эти мюоны высокой энергии способны проникать на значительные глубины в воду и почву. Там при ударе атомных ядер среди других реакций вызывают реакции расщепления, при которых из ядра высвобождается нейтрон. В земной коре вторым источником являются нейтроны, образующиеся в основном в результате спонтанного деления урана и тория, присутствующих в минералах земной коры. Нейтронный фон недостаточно силен, чтобы представлять биологическую опасность, но он важен для детекторов частиц с очень высоким разрешением, которые ищут очень редкие события, такие как (предполагаемые) взаимодействия, которые могут быть вызваны частицами темной материи . Недавние исследования показали, что даже грозы могут производить нейтроны с энергией до нескольких десятков МэВ. Недавние исследования показали, что флюенс этих нейтронов составляет от 10 ⁻⁹ и 10 ⁻¹³ за мс и за м ² в зависимости от высоты обнаружения. Энергия большинства этих нейтронов даже при начальной энергии 20 МэВ снижается до кэВ-диапазона за 1 мс.

Еще более сильное нейтронное фоновое излучение создается 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 образующихся 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 образованию отраженного нейтронного излучения, проникающего вверх в марсианский корабль или среду обитания с поверхности Марса. пол.

Источники нейтронов для исследований. К ним относятся определенные типы радиоактивного распада ( спонтанное деление и испускание нейтронов ), а также определенные ядерные реакции . Удобные ядерные реакции включают настольные реакции, такие как естественная альфа- и гамма-бомбардировка определенных нуклидов, часто бериллия или дейтерия, и индуцированное ядерное деление , например, происходящее в ядерных реакторах. Кроме того, высокоэнергетические ядерные реакции (например, происходящие в ливнях космического излучения или столкновениях ускорителей) также производят нейтроны в результате распада ядер-мишеней. Небольшие (настольные) ускорители частиц, оптимизированные для производства свободных нейтронов таким способом, называются генераторами нейтронов .

На практике наиболее часто используемые небольшие лабораторные источники нейтронов используют радиоактивный распад для производства нейтронов. , производящий нейтроны Один отметил, что радиоизотоп , калифорний -252 распадается (период полураспада 2,65 года) в результате спонтанного деления в 3% случаев с образованием 3,7 нейтронов на деление и используется отдельно в качестве источника нейтронов в этом процессе. В источниках ядерной реакции (включающих два материала), работающих на радиоизотопах, используется источник альфа-распада плюс бериллиевая мишень или же источник высокоэнергетического гамма-излучения от источника, который подвергается бета-распаду с последующим гамма-распадом , который производит фотонейтроны при взаимодействии -лучи высокой энергии гамма с обычным стабильным бериллием или с дейтерием в тяжелой воде . Популярным источником последнего типа является радиоактивная сурьма-124 плюс бериллий, система с периодом полураспада 60,9 дней, которую можно создать из природной сурьмы (которая на 42,8% состоит из стабильной сурьмы-123), активируя ее нейтронами в ядерный реактор, а затем транспортируется туда, где необходим источник нейтронов.

Институт Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле, Франция – крупный центр нейтронных исследований.

Реакторы ядерного деления естественным образом производят свободные нейтроны; по производству энергии их роль заключается в поддержании цепной реакции . Интенсивное нейтронное излучение также может быть использовано для производства различных радиоизотопов посредством процесса нейтронной активации , который является разновидностью нейтронного захвата .

Экспериментальные термоядерные реакторы производят свободные нейтроны в качестве отходов. Но именно эти нейтроны обладают большей частью энергии, и преобразование этой энергии в полезную форму оказалось сложной инженерной задачей. Термоядерные реакторы, генерирующие нейтроны, вероятно, будут создавать радиоактивные отходы, но эти 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, что является продолжительным, главным образом, из-за длительного периода полураспада альфа-излучающих трансурановых актинидов. Предлагается, чтобы некоторые гибриды ядерного синтеза-деления использовали эти нейтроны либо для поддержания подкритического реактора , либо для содействия ядерной трансмутации вредных долгоживущих ядерных отходов в более короткоживущие или стабильные нуклиды.

Нейтронные пучки и модификация пучков после производства

Пучки свободных нейтронов получают из источников нейтронов путем транспорта нейтронов . Чтобы получить доступ к интенсивным источникам нейтронов, исследователи должны обратиться в специализированную нейтронную установку , на которой работает исследовательский реактор или источник расщепления .

Отсутствие у нейтронов общего электрического заряда затрудняет их управление или ускорение. Заряженные частицы могут ускоряться, замедляться или отклоняться электрическими или магнитными полями . Эти методы мало влияют на нейтроны. Но некоторых эффектов можно достичь, используя неоднородные магнитные поля из-за магнитного момента нейтрона . Нейтронами можно управлять методами, включающими замедление , отражение и выбор скорости . Тепловые нейтроны могут быть поляризованы путем прохождения через магнитные материалы методом, аналогичным эффекту Фарадея для фотонов . Холодные нейтроны с длинами волн 6–7 ангстрем можно получать в пучках высокой степени поляризации с помощью магнитных зеркал и намагниченных интерференционных фильтров.

Приложения

Нейтрон играет важную роль во многих ядерных реакциях. Например, захват нейтронов часто приводит к активации нейтронов , вызывая радиоактивность . В частности, знание нейтронов и их поведения сыграло важную роль при разработке ядерных реакторов и ядерного оружия . Деление уран таких элементов, как -235 и плутоний-239, вызвано поглощением ими нейтронов.

Холодное , тепловое и горячее нейтронное излучение обычно используется в установках по рассеянию нейтронов для дифракции нейтронов , малоуглового рассеяния нейтронов и нейтронной рефлектометрии . Медленные нейтронные волны материи обладают свойствами, аналогичными геометрической и волновой оптике света, включая отражение, преломление, дифракцию и интерференцию. Нейтроны дополняют рентгеновские лучи с точки зрения атомных контрастов благодаря различным сечениям рассеяния ; чувствительность к магнетизму; энергетический диапазон спектроскопии неупругих нейтронов; и глубокое проникновение в материю.

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

Основное применение нейтронов — возбуждение задержанных и мгновенных гамма-лучей от элементов в материалах. Это составляет основу нейтронно-активационного анализа (NAA) и мгновенного гамма-нейтронно-активационного анализа (PGNAA). NAA чаще всего используется для анализа небольших образцов материалов в ядерном реакторе , тогда как PGNAA чаще всего используется для анализа подземных пород вокруг скважин и промышленных сыпучих материалов на конвейерных лентах.

Другое применение излучателей нейтронов — обнаружение легких ядер, в частности водорода, содержащегося в молекулах воды. Когда быстрый нейтрон сталкивается с легким ядром, он теряет большую часть своей энергии. Измеряя скорость, с которой медленные нейтроны возвращаются к зонду после отражения от ядер водорода, нейтронный зонд может определить содержание воды в почве.

Медицинская терапия

Основные статьи: Терапия быстрыми нейтронами и нейтронно-захватная терапия рака

Поскольку нейтронное излучение является как проникающим, так и ионизирующим, его можно использовать в медицинских целях. Однако нейтронное излучение может иметь досадный побочный эффект, заключающийся в том, что пораженный участок становится радиоактивным. Поэтому нейтронная томография не является жизнеспособным медицинским применением.

В терапии быстрыми нейтронами для лечения рака используются нейтроны высокой энергии, обычно превышающие 20 МэВ. Лучевая терапия рака основана на биологической реакции клеток на ионизирующее излучение. Если облучение проводится небольшими сеансами и повреждает раковые участки, у нормальных тканей будет время на восстановление, в то время как опухолевые клетки часто не могут этого сделать. Нейтронное излучение может доставлять энергию в раковую область со скоростью, на порядок большей, чем гамма-излучение .

Пучки нейтронов низкой энергии используются в бор-нейтронозахватной терапии для лечения рака. При бор-нейтронозахватной терапии пациенту вводят препарат, содержащий бор и который преимущественно накапливается в целевой опухоли. Затем опухоль бомбардируется нейтронами с очень низкой энергией (хотя часто превышающей тепловую энергию), которые захватываются изотопом бора-10 в боре, что приводит к образованию возбужденного состояния бора-11, который затем распадается с образованием лития-7 и альфа -частица , обладающая достаточной энергией, чтобы убить злокачественную клетку, но недостаточной дальностью действия, чтобы повредить соседние клетки. Для применения такой терапии для лечения рака необходим источник нейтронов, имеющий интенсивность порядка тысячи миллионов (10 ⁹ ) нейтронов в секунду на см ² является предпочтительным. Такие потоки требуют исследовательского ядерного реактора.

Защита

Воздействие свободных нейтронов может быть опасным, поскольку взаимодействие нейтронов с молекулами в организме может вызвать разрушение молекул и атомов , а также вызвать реакции, которые приводят к возникновению других форм излучения (например, протонов). Применяются обычные меры радиационной защиты: избегайте воздействия, держитесь как можно дальше от источника и сведите время воздействия к минимуму. Но особое внимание необходимо уделить тому, как защититься от нейтронного воздействия. Для других типов излучения, например, альфа-частиц , бета-частиц или гамма-лучей , материал с высоким атомным номером и высокой плотностью обеспечивает хорошую защиту; часто свинец используется . Однако этот подход не будет работать с нейтронами, поскольку поглощение нейтронов не увеличивается напрямую с увеличением атомного номера, как это происходит с альфа-, бета- и гамма-излучением. Вместо этого нужно посмотреть на конкретные взаимодействия нейтронов с веществом (см. раздел об обнаружении выше). Например, материалы, богатые водородом , часто используются для защиты от нейтронов, поскольку обычный водород одновременно рассеивает и замедляет нейтроны. Зачастую это означает, что простые бетонные блоки или даже пластиковые блоки, наполненные парафином, обеспечивают лучшую защиту от нейтронов, чем гораздо более плотные материалы. После замедления нейтроны могут быть поглощены изотопом, имеющим высокое сродство к медленным нейтронам, не вызывая вторичного захватного излучения, например литием-6.

богатая водородом, Обычная вода, приводит к поглощению нейтронов в ядерных реакторах деления: обычно нейтроны настолько сильно поглощаются обычной водой, что требуется обогащение топлива делящимся изотопом. (Количество нейтронов, образующихся при делении, зависит в первую очередь от продуктов деления. В среднем оно составляет примерно 2,5–3,0, и в среднем по крайней мере один нейтрон должен избегать захвата, чтобы поддерживать цепную ядерную реакцию .) Дейтерий в тяжелой воде имеет сродство к поглощению нейтронов гораздо ниже, чем у протия (обычного легкого водорода). Поэтому дейтерий используется в реакторах типа CANDU , чтобы замедлить ( умерить ) скорость нейтронов и увеличить вероятность ядерного деления по сравнению с захватом нейтронов .

Нейтронная температура

Основная статья: Нейтронная температура

Тепловые нейтроны

Тепловые нейтроны – это свободные нейтроны , энергии которых имеют распределение Максвелла–Больцмана с kT = 0,0253 эВ ( 4,0 × 10 ⁻²¹  Дж ) при комнатной температуре. Это дает характерную (не среднюю и не срединную) скорость 2,2 км/с. Название «тепловые» происходит от того, что их энергия соответствует энергии газа или материала комнатной температуры, через которые они проникают. (см. кинетическую теорию энергий и скоростей молекул). После ряда столкновений (часто в пределах 10–20) с ядрами нейтроны достигают этого энергетического уровня при условии, что они не поглощены.

Во многих веществах реакции с тепловыми нейтронами имеют гораздо большее эффективное сечение, чем реакции с участием более быстрых нейтронов, и поэтому тепловые нейтроны могут поглощаться легче (т. е. с большей вероятностью) любыми атомными ядрами , с которыми они сталкиваются, создавая более тяжелые - и зачастую нестабильный – изотоп химического элемента в результате .

В большинстве реакторов деления используется замедлитель нейтронов для замедления или термализации нейтронов, испускаемых в результате ядерного деления , чтобы их было легче захватывать, вызывая дальнейшее деление. Другие, называемые быстрыми реакторами-размножителями, напрямую используют нейтроны энергии деления.

Холодные нейтроны

Холодные нейтроны — это тепловые нейтроны, которые пришли в равновесие в очень холодном веществе, таком как жидкий дейтерий . Такой источник холода размещается в замедлителе исследовательского реактора или в источнике расщепления. Холодные нейтроны особенно ценны для по рассеянию нейтронов . экспериментов

Использование холодных и очень холодных нейтронов (ВХН) было немного ограничено по сравнению с использованием тепловых нейтронов из-за относительно более низкого потока и отсутствия оптических компонентов. Тем не менее, были предложены инновационные решения, предлагающие научному сообществу больше возможностей для продвижения использования VCN.

Источник холодных нейтронов, обеспечивающий нейтроны примерно с температурой жидкого водорода.

Ультрахолодные нейтроны

Ультрахолодные нейтроны образуются в результате неупругого рассеяния холодных нейтронов в веществах с низким сечением поглощения нейтронов при температуре в несколько Кельвинов, таких как твердый дейтерий. или сверхтекучий гелий . Альтернативный метод производства — механическое замедление холодных нейтронов с использованием доплеровского сдвига.

Энергетические нейтроны деления

Основная статья: Деление ядра

— Быстрый нейтрон это свободный нейтрон с уровнем кинетической энергии, близким к 1 МэВ ( 1,6 × 10 ⁻¹³  J ), отсюда скорость ~ 14 000 км/с (~ 5 % скорости света). Их называют энергией деления или быстрыми нейтронами, чтобы отличить их от тепловых нейтронов с более низкой энергией и нейтронов с высокой энергией, образующихся в космических ливнях или ускорителях. Быстрые нейтроны производятся в результате ядерных процессов, таких как ядерное деление . Нейтроны, образующиеся при делении, как отмечалось выше, имеют распределение Максвелла-Больцмана по кинетическим энергиям от 0 до ~14 МэВ, среднюю энергию 2 МэВ (для ²³⁵ U-нейтроны деления) и мода всего 0,75 МэВ, что означает, что более половины из них не квалифицируются как быстрые (и, таким образом, почти не имеют шансов инициировать деление в воспроизводящих материалах , таких как ²³⁸ У и ²³² эт).

Быстрые нейтроны можно превратить в тепловые нейтроны посредством процесса, называемого замедлением. Это делается с помощью замедлителя нейтронов . В реакторах тяжелая вода , легкая вода или графит для замедления нейтронов обычно используется .

Термоядерные нейтроны

Скорость реакции синтеза быстро увеличивается с температурой, пока не достигнет максимума, а затем постепенно упадет. Пик скорости DT достигается при более низкой температуре (около 70 кэВ, или 800 миллионов кельвинов) и при более высоком значении, чем у других реакций, обычно рассматриваемых для энергии термоядерного синтеза.

Дополнительная информация: Ядерный синтез § Критерии и кандидаты на земные реакции.

D-T ( дейтерий - тритий ) синтез — это реакция синтеза , в результате которой образуются наиболее энергичные нейтроны с кинетической энергией 14,1 движущиеся МэВ и со скоростью 17% скорости света . D-T-синтез также является самой простой для воспламенения термоядерной реакцией, достигающей почти пиковых скоростей, даже когда ядра дейтерия и трития имеют лишь тысячную часть кинетической энергии, равной 14,1 МэВ, которые будут произведены.

Нейтроны с энергией 14,1 МэВ имеют примерно в 10 раз больше энергии, чем нейтроны деления, и они очень эффективны при делении даже неделящихся тяжелых ядер . Эти процессы деления высокой энергии также производят в среднем больше нейтронов, чем деления нейтронами более низкой энергии. Таким образом, источники нейтронов термоядерного синтеза D-T, такие как предлагаемые энергетические реакторы токамак , полезны для трансмутации трансурановых отходов. Нейтроны с энергией 14,1 МэВ также могут производить нейтроны, выбивая их из ядер .

С другой стороны, эти нейтроны очень высокой энергии с меньшей вероятностью будут просто захвачены, не вызывая деления или расщепления . По этим причинам в конструкции ядерного оружия широко используются нейтроны D-T-синтеза с энергией 14,1 МэВ, чтобы вызвать большее деление . Нейтроны термоядерного синтеза способны вызывать деление обычно неделящихся материалов, таких как обедненный уран (уран-238), и эти материалы использовались в оболочках термоядерного оружия . Нейтроны термоядерного синтеза также могут вызывать деление веществ, которые непригодны или трудно перерабатывать в первичные бомбы деления, таких как плутоний реакторного качества . Таким образом, этот физический факт приводит к тому, что обычные материалы, не относящиеся к оружию, вызывают обеспокоенность в некоторых о распространении ядерного оружия дискуссиях и договорах .

Другие реакции синтеза производят гораздо менее энергичные нейтроны. производит нейтрон с энергией 2,45 МэВ и гелий-3 D-D-синтез в половине времени производит тритий , а в остальное время и протон, но не производит нейтрон. Д– ³ В результате термоядерного синтеза нейтронов не образуется.

Нейтроны промежуточных энергий

Трансмутационный поток в легководном реакторе , который является реактором теплового спектра.

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

Сечения реакций как захвата , так и деления часто имеют несколько резонансных пиков при определенных энергиях в эпитепловом диапазоне энергий. Они имеют меньшее значение в реакторе на быстрых нейтронах , где большинство нейтронов поглощается до замедления до этого диапазона, или в с хорошим замедлителем термическом реакторе , где надтепловые нейтроны взаимодействуют в основном с ядрами замедлителя, а не с делящимися или воспроизводящими актинидов нуклидами . . Но в реакторе с частичным замедлителем и большим количеством взаимодействий надтепловых нейтронов с ядрами тяжелых металлов существует больше возможностей для кратковременных изменений реактивности , которые могут затруднить управление реактором.

Соотношение реакций захвата к реакциям деления также хуже (больше захватов без деления) в большинстве ядерных топлив, таких как плутоний-239 , что делает реакторы надтеплового спектра, использующие это топливо, менее желательными, поскольку захват не только приводит к потере одного захваченного нейтрона, но и обычно приводит к в нуклиде , который не делится тепловыми или эпитепловыми нейтронами, но все же может делиться быстрыми нейтронами. Исключением является уран-233 ториевого цикла , который имеет хорошие коэффициенты захвата-деления при всех энергиях нейтронов.

Нейтроны высоких энергий

Нейтроны высокой энергии обладают гораздо большей энергией, чем нейтроны энергии деления, и генерируются как вторичные частицы ускорителями частиц или в атмосфере из космических лучей . Эти нейтроны высокой энергии чрезвычайно эффективны при ионизации и с гораздо большей вероятностью вызывают гибель клеток, чем рентгеновские лучи или протоны.

См. также

• Ионизирующее излучение
• Изотоп
• Список частиц
• Нейтронное излучение и шкала излучения Зиверта
• Нейтроний
• Ядерная реакция
• Нуклеосинтез
  • Нуклеосинтез нейтронного захвата
  • R-процесс
  • S-процесс
• Реактор на тепловых нейтронах

Источники нейтронов

• Генератор нейтронов
• Источник нейтронов

Процессы с участием нейтронов

• Нейтронная бомба
• Нейтронная дифракция
• Нейтронный поток
• Нейтронный транспорт
• Датирование космогенных радионуклидов

Дальнейшее чтение

• Джеймс Бирн, Нейтроны, ядра и материя: исследование физики медленных нейтронов . Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications, 2011. ISBN   0486482383 .
• Авраам Пайс , Inward Bound , Оксфорд: Oxford University Press, 1986. ISBN   0198519974 .
• Син-Итиро Томонага , История вращения , Издательство Чикагского университета, 1 997
• Хервиг Шоппер , Слабые взаимодействия и ядерный бета-распад , Издательство, Паб Северной Голландии. Компания, 1966 год.
• Аннотированная библиография по нейтронам из цифровой библиотеки по ядерным вопросам Алсос.