Нейтрон

Эта статья о субатомной частице. Чтобы узнать о других значениях, см. Нейтрон (значения) .

Не путать с Нейроном или Нейтрино .

Нейтрон

Кварковое содержание нейтрона. Цветовое присвоение отдельных кварков произвольно, но должны присутствовать все три цвета. Силы между кварками опосредуются глюонами .
Классификация	Барион
Состав	1 верхний кварк , 2 нижних кварка
Статистика	фермионный
Семья	Адронный
Взаимодействия	Гравитация , слабая , сильная , электромагнитная.
Символ	н , н 0 , Н 0
Античастица	Антинейтрон
Теоретический	Эрнест Резерфорд (1920)
Обнаруженный	Джеймс Чедвик (1932)
Масса	1.674 927 498 04 (95) × 10 −27  кг 939,565 420 52 (54) МэВ/ c 2 1,008 664 915 88 (49) Да
Средний срок службы	878,4(5) с ( бесплатно )
Электрический заряд	0 и (−2 ± 8) × 10 −22  е (экспериментальные пределы)
Электрический дипольный момент	< 1,8 × 10 −26  е ⋅см (экспериментальный верхний предел)
Электрическая поляризуемость	1.16(15) × 10 −3 фм 3
Магнитный момент	−0.966 236 50 (23) × 10 −26  Дж · Т −1 −1.041 875 63 (25) × 10 −3  μмкБ −1,913 042 73 (45 мкН )
Магнитная поляризуемость	3.7(20) × 10 −4 фм 3
Вращаться	⁠ 1 / 2 ⁠  ħ
Изоспин	− ⁠ 1 / 2 ⁠
Паритет	+1
Сжатый	Я ( Дж. П ) =  ⁠ 1 / 2 ⁠ ( ⁠ 1 / 2 ⁠ + )

Нейтрон — субатомная частица , символ
н
или
н ⁰
, который имеет нейтральный (не положительный или отрицательный) заряд и массу , немного большую, чем у протона . нейтроны составляют ядра атомов Протоны и . Поскольку протоны и нейтроны ведут себя внутри ядра одинаково, их называют нуклонами . Нуклоны имеют массу примерно одной атомной единицы массы, или дальтона (обозначение: Да). Их свойства и взаимодействия описаны ядерной физикой . Протоны и нейтроны не являются элементарными частицами ; каждый состоит из трех кварков .

Химические свойства атома в основном определяются конфигурацией электронов , вращающихся вокруг тяжелого ядра атома. Электронная конфигурация определяется зарядом ядра, который определяется числом протонов или атомным номером . Число нейтронов – это нейтронное число . Нейтроны не влияют на электронную конфигурацию.

Атомы химического элемента , различающиеся только числом нейтронов, называются изотопами . Например, углерод с атомным номером 6 имеет распространенный изотоп углерод-12 с 6 нейтронами и редкий изотоп углерод-13 с 7 нейтронами. Некоторые элементы встречаются в природе только с одним стабильным изотопом , например фтор . Другие элементы встречаются со многими стабильными изотопами, например олово с десятью стабильными изотопами, или без стабильных изотопов, например технеций .

Свойства атомного ядра зависят как от атомного, так и от нейтронного числа. Имея положительный заряд, протоны внутри ядра отталкиваются электромагнитной силой дальнего действия , но гораздо более сильная, но короткодействующая ядерная сила тесно связывает нуклоны вместе. Нейтроны необходимы для стабильности ядер, за исключением однопротонного ядра водорода . Нейтроны производятся в больших количествах при ядерном делении и синтезе . Они вносят основной вклад в нуклеосинтез химических элементов внутри звезд посредством процессов деления, синтеза и захвата нейтронов .

Нейтрон необходим для производства ядерной энергии. В течение десятилетия после открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году нейтроны использовались для индукции множества различных типов ядерных трансмутаций . С открытием ядерного деления в 1938 году быстро стало понятно, что, если в результате деления образуются нейтроны, каждый из этих нейтронов может вызвать дальнейшие события деления в каскаде, известном как цепная ядерная реакция . Эти события и открытия привели к созданию первого автономного ядерного реактора ( Чикаго Пайл-1 , 1942 г.) и первого ядерного оружия ( Тринити , 1945 г.).

Специальные источники нейтронов , такие как генераторы нейтронов , исследовательские реакторы и источники расщепления, производят свободные нейтроны для использования при облучении и в экспериментах по рассеянию нейтронов . Свободный нейтрон спонтанно распадается на протон, электрон и антинейтрино со средним временем жизни около 15 минут. Свободные нейтроны не ионизируют атомы напрямую, но косвенно вызывают ионизирующее излучение , поэтому в зависимости от дозы они могут представлять биологическую опасность. На Земле существует небольшой естественный «нейтронный фоновый» поток свободных нейтронов, вызванный ливнями лучей космических и естественной радиоактивностью спонтанно делящихся элементов в земной коре .

Нейтроны в атомном ядре

Атомное ядро ​​состоит из ряда протонов Z ( атомный номер ) и ряда нейтронов N ( число нейтронов ), связанных друг с другом ядерной силой . Протоны и нейтроны имеют массу примерно один дальтон каждый . Атомный номер определяет химические свойства атома, а число нейтронов определяет изотоп или нуклид . Термины изотоп и нуклид часто используются как синонимы , но они относятся к химическим и ядерным свойствам соответственно. Изотопы – это нуклиды с одинаковым атомным номером, но разным числом нейтронов. Нуклиды с одинаковым числом нейтронов, но разным атомным номером называются изотонами . Атомное массовое число A равно сумме атомных и нейтронных чисел. Нуклиды с одинаковым атомным массовым числом, но разными атомными и нейтронными числами называются изобарами . Масса ядра всегда немного меньше суммы его масс протона и нейтрона: разница в массе представляет собой массу, эквивалентную энергии связи ядра, энергии, которую необходимо добавить, чтобы разделить ядро.

Ядро наиболее распространенного изотопа атома водорода (с химическим символом ¹ H) — одинокий протон. Ядра тяжелых изотопов водорода дейтерия (D или ² H) и тритий (T или ³ З) содержат один протон, связанный с одним и двумя нейтронами соответственно. Все остальные типы атомных ядер состоят из двух или более протонов и различного количества нейтронов. Самый распространённый нуклид общего химического элемента — свинца . ²⁰⁸ Например, Pb имеет 82 протона и 126 нейтронов. В таблицу нуклидов вошли все известные нуклиды. Несмотря на то, что нейтрон не является химическим элементом, он включен в эту таблицу.

Деление ядра, вызванное поглощением нейтрона ураном-235. Тяжелый нуклид распадается на более легкие компоненты и дополнительные нейтроны.

Протоны и нейтроны ведут себя почти одинаково под действием ядерных сил внутри ядра. Поэтому их обоих вместе называют нуклонами . Концепция изоспина , в которой протон и нейтрон рассматриваются как два квантовых состояния одной и той же частицы, используется для моделирования взаимодействия нуклонов ядерными или слабыми силами.

Атомная энергетика

Из-за силы ядерного взаимодействия на коротких расстояниях ядерная энергия, связывающая нуклоны, на много порядков превышает электромагнитную энергию, связывающую электроны в атомах. При ядерном делении поглощение нейтрона некоторыми тяжелыми нуклидами (такими как уран-235 ) может привести к тому, что нуклид станет нестабильным и распадется на более легкие нуклиды и дополнительные нейтроны. Положительно заряженные легкие нуклиды, или «осколки деления», затем отталкиваются, высвобождая потенциальную электромагнитную энергию . Если эта реакция происходит в массе делящегося материала , дополнительные нейтроны вызывают дополнительные события деления, вызывая каскад, известный как цепная ядерная реакция . При данной массе делящегося материала такие ядерные реакции выделяют энергию, примерно в десять миллионов раз превышающую энергию эквивалентной массы обычного химического взрывчатого вещества . В конечном счете, способность ядерных сил накапливать энергию, возникающую в результате электромагнитного отталкивания ядерных компонентов, является основой большей части энергии, которая делает возможными ядерные реакторы или бомбы; большая часть энергии, выделяющейся при делении, представляет собой кинетическую энергию осколков деления.

Схема с ядра атома указанием
б ⁻
излучение – испускание быстрого электрона из ядра. Распад также создает антинейтрино (опущено) и превращает нейтрон в протон внутри ядра.
На вставке показан бета-распад свободного нейтрона; В этом процессе создаются электрон и антинейтрино.

Бета-распад

Основная статья: Бета-распад

Нейтроны и протоны внутри ядра ведут себя одинаково и могут обмениваться своими тождествами посредством аналогичных реакций. Эти реакции представляют собой форму радиоактивного распада, известного как бета-распад . Бета-распад, при котором нейтроны распадаются на протоны или наоборот, управляется слабым взаимодействием и требует испускания или поглощения электронов и нейтрино или их античастиц. Реакции распада нейтрона и протона:

н ⁰
→
п ⁺
+
и ⁻
+
н
_и

где
п ⁺
,
и ⁻
, и
н
_e обозначает продукты распада протона, электрона и электронного антинейтрино , и

п ⁺
→
н ⁰
+
и ⁺
+
н
_и

где
н ⁰
,
и ⁺
, и
н
_e обозначает продукты распада нейтрона, позитрона и электронного нейтрино.

Электрон и позитрон, образующиеся в этих реакциях, исторически известны как бета-частицы , обозначаемые β. ⁻ или β ⁺ соответственно, дав название процессу распада. В этих реакциях исходная частица не состоит из частиц продукта; скорее, частицы продукта создаются в момент реакции.

«Свободный» нейтрон

Основная статья: Распад свободного нейтрона

«Свободные» нейтроны или протоны — это нуклоны, существующие независимо, без какого-либо ядра.

Свободный нейтрон имеет массу 939 565 413,3 эВ / с. ² , или 939,565 4133   МэВ/ c ² . Эта масса равна 1,674 927 471 × 10. ⁻²⁷  кг , или 1,008 664 915 88   Да . Нейтрон имеет среднеквадратичный радиус около 0,8 × 10 ⁻¹⁵  м , или 0,8 Фм , и это со спином ½ фермион . Нейтрон не имеет измеримого электрического заряда. Имея положительный электрический заряд, протон находится под прямым влиянием электрических полей , тогда как нейтрон не подвержен влиянию электрических полей. Но у нейтрона есть магнитный момент , поэтому на нейтрон действуют магнитные поля . Конкретные свойства нейтрона описаны ниже в разделе «Внутренние свойства» .

Вне ядра свободные нейтроны подвергаются бета-распаду со средним временем жизни около 14 минут 38 секунд. соответствует периоду полураспада около 10 минут 11 с. Масса нейтрона больше массы протона на 1,293 32   МэВ/ с. ² , следовательно, масса нейтрона обеспечивает энергию, достаточную для создания протона, электрона и антинейтрино. В процессе распада протон, электрон и электронное антинейтрино сохраняют энергию, заряд и лептонное число нейтрона. Электрон может приобрести кинетическую энергию до 0,782 ± 0,013 МэВ .

До сих пор необъяснимые различные экспериментальные методы измерения времени жизни нейтрона, методы «бутылки» и «пучка», дают для него разные значения. В методе «бутылки» используются «холодные» нейтроны, запертые в бутылке, а в методе «луча» используются энергичные нейтроны в пучке частиц. Измерения двумя методами не сходятся во времени. Время жизни бутылочного метода в настоящее время составляет 877,75 с. что на 10 секунд ниже значения лучевого метода 887,7 с.

Небольшая доля (около одного на тысячу) свободных нейтронов распадается с теми же продуктами, но добавляет дополнительную частицу в виде испускаемого гамма-излучения:

н ⁰
→
п ⁺
+
и ⁻
+
н
_и +
с

Гамма-лучи, называемые «радиационным режимом распада» нейтрона, можно рассматривать как результат «внутреннего тормозного излучения », возникающего в результате электромагнитного взаимодействия испускаемой бета-частицы с протоном.

Меньшая часть (около четырех на миллион) свободных нейтронов распадается в ходе так называемого «двухчастичного (нейтронного) распада», при котором протон, электрон и антинейтрино образуются как обычно, но электрон не может получить 13,6 эВ. необходимые протона ( энергия ионизации водорода энергии выхода из ), и поэтому просто остается связанным с ним, образуя нейтральный атом водорода (одно из «двух тел»). При этом типе распада свободных нейтронов почти вся энергия распада нейтрона уносится антинейтрино (другим «телом»). (Атом водорода отскакивает со скоростью всего примерно (энергия распада)/(энергия покоя водорода), умноженной на скорость света, или 250 км/с .)

Нейтроны и протоны, связанные в ядре

Основные статьи: Атомное ядро ​​и ядерная физика

См. также: Долина стабильности , Стабильные изобары бета-распада и Нейтронное излучение.

Нейтроны являются необходимой составной частью любого атомного ядра, содержащего более одного протона. В результате наличия положительных зарядов взаимодействующие протоны испытывают взаимное электромагнитное отталкивание , которое сильнее, чем их притягивающее ядерное взаимодействие , поэтому ядра, состоящие только из протонов, нестабильны (см. Дипротон и соотношение нейтрон-протон ). Нейтроны связываются с протонами и друг с другом в ядре посредством ядерных сил , эффективно смягчая силы отталкивания между протонами и стабилизируя ядро. Тяжелые ядра несут большой положительный заряд, поэтому для стабильности им требуются «лишние» нейтроны.

Хотя свободный нейтрон нестабилен, а свободный протон стабилен, внутри ядер нейтроны часто стабильны, а протоны иногда нестабильны. Будучи связанными внутри ядра, нуклоны могут распадаться в процессе бета-распада. Нейтроны и протоны в ядре образуют квантово-механическую систему в соответствии с моделью ядерной оболочки . Протоны и нейтроны нуклида организованы в дискретные иерархические энергетические уровни с уникальными квантовыми числами . Распад нуклона внутри ядра может произойти, если это разрешено основными законами сохранения энергии и квантово-механическими ограничениями. Продукты распада, то есть испускаемые частицы, уносят избыток энергии, поскольку нуклон переходит из одного квантового состояния в состояние с меньшей энергией, а нейтрон (или протон) превращается в протон (или нейтрон).

Чтобы нейтрон распался, образовавшемуся протону требуется доступное состояние с более низкой энергией, чем исходное состояние нейтрона. В стабильных ядрах все возможные состояния с более низкой энергией заполнены, то есть каждое состояние занято парой протонов: один со спином вверх, другой со спином вниз. Когда все доступные состояния протона заполнены, принцип Паули запрещает распад нейтрона на протон. Ситуация аналогична электронам атома, где электронам, занимающим разные атомные орбитали, принцип запрета не позволяет распасться на более низкие, уже занятые энергетические состояния. Стабильность материи является следствием этих ограничений.

Одним из примеров распада нейтрона внутри нуклида является углерода изотоп углерод-14 , который имеет 6 протонов и 8 нейтронов. Из-за избытка нейтронов этот изотоп распадается путем бета-распада на азот-14 (7 протонов, 7 нейтронов), процесс с периодом полураспада около 5730 лет . Азот-14 стабилен.

Реакции «бета-распада» могут происходить и при захвате лептона нуклоном . Преобразование протона в нейтрон внутри ядра возможно посредством захвата электрона :

п ⁺
+
и ⁻
→
н ⁰
+
н
_и

Более редкая реакция, обратный бета-распад , включает захват нейтрино нуклоном. Еще реже захват позитронов нейтронами может происходить в высокотемпературной среде звезд.

Конкуренция типов бета-распада

Три конкурирующих типа бета-распада иллюстрируются единственным изотопом меди-64 (29 протонов, 35 нейтронов), период полураспада которого составляет около 12,7 часов. Этот изотоп имеет один неспаренный протон и один неспаренный нейтрон, поэтому распасться может либо протон, либо нейтрон. Этот конкретный нуклид почти с одинаковой вероятностью подвергнется распаду протона (в результате испускания позитронов 18% или захвата электронов 43%; оба образуют ⁶⁴
В
) или распад нейтрона (путем эмиссии электронов, 39%; образуя ⁶⁴
Зн
).

Нейтрон в физике элементарных частиц – Стандартная модель

Основная диаграмма Фейнмана для
б ⁻
распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино через промежуточный тяжелый
В ⁻
бозон

Основная диаграмма Фейнмана для
б ⁺
распад протона на нейтрон, позитрон и электронное нейтрино через промежуточный тяжелый
В ⁺
бозон

Основная статья: Стандартная модель

В теоретической базе Стандартной модели физики элементарных частиц нейтрон состоит из двух даун-кварков с зарядом — ⁠ 1/3 верхний ⁠ e с и один кварк зарядом + ⁠ 2 / 3 ⁠ е . Таким образом, нейтрон представляет собой сложную частицу, классифицируемую как адрон . Нейтрон также классифицируется как барион , поскольку он состоит из трех валентных кварков . Конечный размер нейтрона и его магнитный момент указывают на то, что нейтрон является сложной , а не элементарной частицей.

Кварки нейтрона удерживаются вместе сильной силой , действующей через глюоны . Ядерное взаимодействие является результатом вторичного воздействия более фундаментального сильного взаимодействия .

Единственный возможный способ распада нейтрона, сохраняющий барионное число, одного из кварков нейтрона — это изменение аромата посредством слабого взаимодействия . Распад одного из нижних кварков нейтрона на более легкий верхний кварк может быть достигнут за счет испускания W-бозона . В ходе этого процесса, описанного Стандартной моделью бета-распада, нейтрон распадается на протон (который содержит один нижний и два верхних кварка), электрон и электронное антинейтрино .

Распад протона на нейтрон происходит аналогичным образом через слабое взаимодействие. Распад одного из верхних кварков протона на нижний кварк может быть достигнут за счет 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.

Открытие

Основная статья: Открытие нейтрона

История открытия нейтрона и его свойств занимает центральное место в выдающихся достижениях атомной физики, произошедших в первой половине 20-го века и приведших в конечном итоге к созданию атомной бомбы в 1945 году. В модели Резерфорда 1911 года атом состоял из небольшое массивное положительно заряженное ядро, окруженное гораздо большим облаком отрицательно заряженных электронов. В 1920 году Эрнест Резерфорд предположил, что ядро ​​состоит из положительных протонов и нейтрально заряженных частиц, предположив, что это протон и электрон, каким-то образом связанные. Предполагалось, что электроны находятся внутри ядра, поскольку было известно, что бета-излучение состоит из электронов, испускаемых ядром. Примерно в то время, когда Резерфорд предложил нейтральный протон-электронный композит, появилось несколько других публикаций с аналогичными предположениями, а в 1921 году американский химик У. Д. Харкинс впервые назвал гипотетическую частицу «нейтроном». Название происходит от латинского корня нейтралис (средний) и греческого суффикса -он (суффикс, используемый в названиях субатомных частиц, то есть электрона и протона ). Однако упоминания слова нейтрон в связи с атомом можно найти в литературе еще в 1899 году.

На протяжении 1920-х годов физики предполагали, что атомное ядро ​​состоит из протонов и «ядерных электронов». но это вызвало очевидные проблемы. Трудно было согласовать протон-электронную модель ядра с соотношением неопределенностей Гейзенберга в квантовой механике. Клейна Парадокс , обнаруженный Оскаром Кляйном в 1928 году, представил дальнейшие квантовомеханические возражения против представления об электроне, заключенном внутри ядра. Наблюдаемые свойства атомов и молекул не согласовывались со спином ядра, ожидаемым из протон-электронной гипотезы. И протоны, и электроны имеют собственный спин ⁠ 1 / 2 ⁠ ħ . Изотопы одного вида (т.е. имеющие одинаковое количество протонов) могут иметь как целый, так и дробный спин, т.е. спин нейтрона также должен быть дробным ( ⁠ 1/2 ​ ⁠ ħ ) . Но не существует способа расположить спины электрона и протона (которые должны образовать нейтрон), чтобы получить дробный спин нейтрона.

В 1931 году Вальтер Боте и Герберт Беккер обнаружили, что если альфа-частиц излучение полония падает на бериллий , бор или литий , возникает необычно проникающее излучение. На излучение не повлияло электрическое поле, поэтому Боте и Беккер предположили, что это гамма-излучение . В следующем году Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио-Кюри в Париже показали, что если это «гамма»-излучение падает на парафин или любое другое водородсодержащее соединение, оно выбрасывает протоны очень высокой энергии. Ни Резерфорда, ни Джеймса Чедвика из Кавендишской лаборатории в Кембридже интерпретация гамма-лучей не убедила. Чедвик быстро провел серию экспериментов, которые показали, что новое излучение состоит из незаряженных частиц примерно той же массы, что и протон. Эти свойства соответствовали предполагаемому нейтрону Резерфорда. Чедвик получил Нобелевскую премию по физике 1935 года. За это открытие

Модели, изображающие уровни энергии ядра и электронов в атомах водорода, гелия, лития и неона. В действительности диаметр ядра примерно в 100 000 раз меньше диаметра атома.

Модели атомного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, были быстро разработаны Вернером Гейзенбергом. и другие. Протон-нейтронная модель объяснила загадку ядерных спинов. Происхождение бета-излучения было объяснено Энрико Ферми в 1934 году процессом бета-распада , при котором нейтрон распадается на протон, создавая электрон и (в то время еще не обнаруженное) нейтрино. В 1935 году Чедвик и его докторант Морис Гольдхабер сообщили о первом точном измерении массы нейтрона.

К 1934 году Ферми бомбардировал более тяжелые элементы нейтронами, чтобы вызвать радиоактивность в элементах с высоким атомным номером. В 1938 году Ферми получил Нобелевскую премию по физике «за демонстрацию существования новых радиоактивных элементов, образующихся при нейтронном облучении, и за связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». В декабре 1938 года Отто Хан , Лиза Мейтнер и Фриц Штрассман открыли ядерное деление или фракционирование ядер урана на более легкие элементы, вызванное нейтронной бомбардировкой. В 1945 году Хан получил Нобелевскую премию по химии 1944 года «за открытие деления тяжелых атомных ядер».

Открытие ядерного деления приведет к развитию ядерной энергетики и атомной бомбы к концу Второй мировой войны. Быстро стало понятно, что если в результате деления образуются нейтроны, каждый из этих нейтронов может вызвать дальнейшие события деления в каскаде, известном как цепная ядерная реакция. Эти события и открытия побудили Ферми построить в Чикагском университете в 1942 году реактор «Чикаго-1» , первый самоподдерживающийся ядерный реактор . Всего три года спустя Манхэттенский проект смог испытать первую атомную бомбу — ядерное испытание «Тринити» в июле 1945 года.

Характеристики

Масса

Массу нейтрона нельзя определить непосредственно методом масс-спектрометрии, поскольку он не имеет электрического заряда. Но поскольку массы протона и дейтрона можно измерить с помощью масс-спектрометра, массу нейтрона можно определить, вычитая массу протона из массы дейтрона, при этом разница будет равна массе нейтрона плюс энергия связи дейтерия. (выражается как положительная излучаемая энергия). Последнее можно непосредственно измерить, измеряя энергию ( $B_{d}$) одиночного гамма-фотона с энергией 2,224 МэВ , испускаемого при образовании дейтрона протоном, захватывающим нейтрон (это экзотермический процесс и происходит с нейтронами с нулевой энергией). Малая кинетическая энергия отдачи ( $E_{rd}$) дейтрона (около 0,06% полной энергии) также необходимо учитывать.

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

Энергию гамма-лучей можно измерить с высокой точностью с помощью методов рентгеновской дифракции, как это впервые было сделано Беллом и Эллиотом в 1948 году. Лучшие современные (1986 г.) значения массы нейтрона с помощью этого метода предоставлены Грином и др. . Это дает нейтронную массу:

м _{нейтрон} = 1,008 644 904 (14) Да

Значение массы нейтрона в МэВ известно менее точно из-за меньшей точности известного преобразования Da в МэВ/ с. ² :

м _{нейтрон} = 939,565 63 (28) МэВ/ с ² .

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

Вращаться

Нейтрон – это спин ⁠ 1/2 с собственным угловым моментом , частица ⁠ , то есть это фермион равным ⁠ 1/2 — ħ ⁠   ħ где , приведенная постоянная Планка . В течение многих лет после открытия нейтрона его точный спин был неоднозначным. Хотя предполагалось, что это будет вращение ⁠ 1/2 того, что нейтрон имел , возможность ⁠ частица Дирака спин ⁠ 3 / 2 ⁠ частица задержалась. Взаимодействие магнитного момента нейтрона с внешним магнитным полем было использовано для окончательного определения спина нейтрона. В 1949 году Хьюз и Берги измерили нейтроны, отраженные от ферромагнитного зеркала, и обнаружили, что угловое распределение отражений согласуется со спином. ⁠ 1 / 2 ⁠ . В 1954 году Шервуд, Стефенсон и Бернштейн использовали нейтроны в эксперименте Штерна-Герлаха , в котором магнитное поле использовалось для разделения спиновых состояний нейтрона. Они зафиксировали два таких спиновых состояния, соответствующих спину ⁠ 1/2 ​ ⁠ . частица

Как фермион, нейтрон подчиняется принципу запрета Паули ; два нейтрона не могут иметь одинаковые квантовые числа. Это источник давления вырождения , которое противодействует гравитации в нейтронных звездах и не дает им образовывать черные дыры.

Смотрите также: Дельта-барион

Магнитный момент

Основная статья: Магнитный момент нуклона

Несмотря на то, что нейтрон является нейтральной частицей, магнитный момент нейтрона не равен нулю. На нейтрон не влияют электрические поля, но на него влияют магнитные поля. Значение магнитного момента нейтрона было впервые непосредственно измерено Луисом Альваресом и Феликсом Блохом в Беркли, Калифорния , в 1940 году. Альварес и Блох определили, что магнитный момент нейтрона равен µ _n = −1,93(2) µ _N , где µ _N — ядерный магнетон . Магнитный момент нейтрона имеет отрицательное значение, поскольку его ориентация противоположна спину нейтрона.

Магнитный момент нейтрона является показателем его кварковой субструктуры и внутреннего распределения заряда. В модели адронов кварковой нейтрон состоит из одного верхнего кварка (заряд +2/3 e ) и двух нижних кварков (заряд −1/3 e ). Магнитный момент нейтрона можно смоделировать как сумму магнитных моментов составляющих его кварков. Расчет предполагает, что кварки ведут себя как точечные частицы Дирака, каждая из которых имеет свой собственный магнитный момент. Упрощенно, магнитный момент нейтрона можно рассматривать как результат векторной суммы магнитных моментов трех кварков плюс орбитальных магнитных моментов, вызванных движением трех заряженных кварков внутри нейтрона.

В одном из первых успехов Стандартной модели в 1964 году Мирза А.Б. Бег, Бенджамин В. Ли и Абрахам Пайс рассчитали отношение магнитных моментов протона к нейтрону равное -3/2 (или отношение -1,5), что согласуется с экспериментальным значением с точностью до 3%. Измеренное значение этого отношения составляет -1,459 898 05 (34) .

Вышеупомянутая трактовка сравнивает нейтроны с протонами, позволяя вычесть сложное поведение кварков между моделями и просто исследуя, каковы будут эффекты различных зарядов кварков (или типов кварков). Таких расчетов достаточно, чтобы показать, что внутренняя часть нейтронов очень похожа на внутреннюю часть протонов, за исключением разницы в кварковом составе: нижний кварк в нейтроне заменяет верхний кварк в протоне.

Магнитный момент нейтрона можно грубо вычислить, приняв простую нерелятивистскую квантово-механическую волновую функцию для барионов, состоящих из трех кварков. Непосредственный расчет дает довольно точные оценки магнитных моментов нейтронов, протонов и других барионов. Для нейтрона результатом этого расчета является то, что магнитный момент нейтрона определяется выражением µ _n = 4/3 µ _d − 1/3 µ _u , где µ _d и µ _u — магнитные моменты для движения вниз и вверх. кварки соответственно. Этот результат объединяет собственные магнитные моменты кварков с их орбитальными магнитными моментами и предполагает, что три кварка находятся в определенном, доминирующем квантовом состоянии.

Барион	Магнитный момент кварковой модели	Вычисленный ( $\mu _{\mathrm {N} }$)	Наблюдается ( $\mu _{\mathrm {N} }$)
п	4/3 мкм ты - 1/3 мкм д	2.79	2.793
н	4/3 мкм d − 1/3 мкм ты	−1.86	−1.913

Результаты этого расчета обнадеживают, но массы верхних и нижних кварков предполагались равными 1/3 массы нуклона. Масса кварков на самом деле составляет всего лишь около 1% массы нуклона. Это несоответствие проистекает из сложности Стандартной модели нуклонов, где большая часть их массы возникает в глюонных полях, виртуальных частицах и связанной с ними энергии, которые являются важными аспектами сильного взаимодействия . Более того, сложная система кварков и глюонов, составляющих нейтрон, требует релятивистского подхода. Но магнитный момент нуклона был успешно вычислен численно на основе первых принципов , включая все упомянутые эффекты и с использованием более реалистичных значений масс кварков. Расчет дал результаты, вполне согласующиеся с измерениями, но потребовал значительных вычислительных ресурсов.

Электрический заряд

Полный электрический заряд нейтрона равен 0 e . Это нулевое значение было проверено экспериментально, и текущий экспериментальный предел заряда нейтрона составляет −2(8) × 10. ⁻²²  и , или -3(13) × 10 ⁻⁴¹  С. ​Это значение соответствует нулю, учитывая экспериментальные неопределенности (указанные в скобках). Для сравнения, заряд протона равен +1 е .

Структура и геометрия распределения заряда

В статье, опубликованной в 2007 году, в которой проводился независимый от модели анализ, был сделан вывод о том, что нейтрон имеет отрицательно заряженную внешнюю часть, положительно заряженную середину и отрицательное ядро. Если говорить упрощенно, классически, отрицательная «кожа» нейтрона помогает ему притягиваться к протонам, с которыми он взаимодействует в ядре; но основное притяжение между нейтронами и протонами осуществляется через ядерную силу , которая не связана с электрическим зарядом.

Упрощенный классический взгляд на распределение заряда нейтрона также «объясняет» тот факт, что магнитный диполь нейтрона направлен в противоположном направлении от вектора его спинового углового момента (по сравнению с протоном). По сути, это придает нейтрону магнитный момент, напоминающий отрицательно заряженную частицу. Это можно классически согласовать с нейтральным нейтроном, состоящим из распределения заряда, в котором отрицательные части нейтрона имеют больший средний радиус распределения и, следовательно, вносят больший вклад в магнитный дипольный момент частицы, чем положительные части, которые в среднем ближе к ядру.

Электрический дипольный момент

Основная статья: Электрический дипольный момент нейтрона

Стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает крошечное разделение положительного и отрицательного заряда внутри нейтрона, приводящее к постоянному электрическому дипольному моменту . Но предсказанное значение значительно ниже текущей чувствительности экспериментов. Из нескольких нерешенных загадок физики элементарных частиц становится ясно, что Стандартная модель не является окончательным и полным описанием всех частиц и их взаимодействий. Новые теории, выходящие за рамки Стандартной модели, обычно приводят к гораздо более точным предсказаниям электрического дипольного момента нейтрона. В настоящее время проводится как минимум четыре эксперимента, пытающихся впервые измерить конечный электрический дипольный момент нейтрона, в том числе:

• Эксперимент по ЭДМ криогенных нейтронов создается в Институте Лауэ-Ланжевена.
• Строящийся эксперимент n2EDM на источнике УХН в Институте Пола Шеррера
• Эксперимент nEDM предусматривается на источнике расщепительных нейтронов
• Эксперимент nEDM строится в Институте Лауэ-Ланжевена

Антинейтрон

Основная статья: Антинейтрон

Антинейтрон – это античастица нейтрона. Его открыл Брюс Корк в 1956 году, через год после антипротона открытия . CPT-симметрия накладывает строгие ограничения на относительные свойства частиц и античастиц, поэтому изучение антинейтронов обеспечивает строгие проверки CPT-симметрии. Дробная разница масс нейтрона и антинейтрона составляет (9 ± 6) × 10 ⁻⁵ . Поскольку разница составляет всего около двух стандартных отклонений от нуля, это не дает убедительных доказательств нарушения CPT.

Нейтронные соединения

Динейтроны и тетранейтроны

Основные статьи: Динейтрон и Тетранейтрон

Динейтрон 10 считается несвязанным изотопом с временем жизни около ^-22 секунды. Первые доказательства этого состояния были представлены Haddock et al. в 1965 году. В 2012 году Артемис Спироу из Мичиганского государственного университета и его коллеги сообщили, что впервые наблюдали прямую эмиссию динейтронов при распаде ¹⁶ Быть. О динейтронном характере свидетельствует небольшой угол вылета между двумя нейтронами. Авторы измерили энергию разделения двух нейтронов, равную 1,35(10) МэВ, что хорошо согласуется с расчетами модели оболочки с использованием стандартных взаимодействий для этой области масс.

Доказательства существования несвязанных кластеров из 4 нейтронов или тетранейтронов как резонансов при распаде ядер бериллия -14. в ⁸ Он- ⁸ Будьте взаимодействиями, и столкновения ⁴ Ядра He дают расчетное время жизни около 10 ^-22 секунды. Эти открытия должны углубить наше понимание ядерных сил.

Нейтронные звезды и нейтронная материя

Основные статьи: Нейтронная материя и нейтронная звезда

Считается, что при чрезвычайно высоких давлениях и температурах нуклоны и электроны коллапсируют в объемную нейтронную материю, называемую нейтронной материей . Предполагается, что это происходит в нейтронных звездах .

Чрезвычайное давление внутри нейтронной звезды может деформировать нейтроны до кубической симметрии, обеспечивая более плотную упаковку нейтронов.

Обнаружение

Основная статья: Обнаружение нейтронов

Обычные средства обнаружения заряженной частицы путем поиска следа ионизации (например, в камере Вильсона ) напрямую не работают для нейтронов. Нейтроны, которые упруго рассеиваются на атомах, могут создать заметный ионизационный след, но провести эксперименты не так просто; чаще используются другие способы обнаружения нейтронов, заключающиеся в том, чтобы позволить им взаимодействовать с атомными ядрами. Таким образом, широко используемые методы обнаружения нейтронов можно разделить на категории в зависимости от используемых ядерных процессов, в основном захвата нейтронов или упругого рассеяния .

Обнаружение нейтронов путем захвата нейтронов

Распространенный метод обнаружения нейтронов включает преобразование энергии, выделяющейся в результате реакций захвата нейтронов, в электрические сигналы. Некоторые нуклиды имеют высокое сечение захвата нейтронов , то есть вероятность поглощения нейтрона. При захвате нейтрона составное ядро ​​испускает более легко обнаруживаемое излучение, например альфа-частицу, которая затем обнаруживается. Нуклиды ³
Он
, ⁶
Что
, ¹⁰
Б
, ²³³
В
, ²³⁵
В
, ²³⁷
Например
, и ²³⁹
Мог
полезны для этой цели.

Обнаружение нейтронов методом упругого рассеяния

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 очень высокого разрешения, 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 марсианской поверхности 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 может 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 более низкой энергии и нейтронов высокой энергии, 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, следовательно, 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-синтез ( дейтерий - тритий ) — 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 очень эффективны при делении даже неделящихся тяжелых ядер , и эти деления с высокой энергией производят в среднем больше нейтронов, чем деления нейтронами с более низкой энергией. Это делает источники нейтронов термоядерного синтеза D-T, такие как предлагаемые энергетические реакторы токамак , полезными 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 которые трудно превратить 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 озабоченность 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 При термоядерном синтезе 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.