Neutron

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 1. huhtikuuta 2021 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 10 muokkausta .
Neutroni  ( )
Perhe fermion
Ryhmä hadron , baryon , N-baryon , nukleoni
Osallistuu vuorovaikutukseen Vahva , heikko , sähkömagneettinen ja painovoimainen
Antihiukkanen antineutroni
Paino 939.565 420 52(54) MeV [1] , 1.674 927 498 04(95)⋅10 −27 kg [2] , 1.008 664 915 95(49) a. e.m [3]
Elinikä 880,0 ± 0,9 s [4]
Teoreettisesti perusteltu Vuonna 1930 V. A. Ambartsumyan ja D. D. Ivanenko ; vuonna 1930 Walter Bothe ja hänen oppilaansa Herbert Becker, jotka työskentelivät Saksassa
Löytyi 27. helmikuuta 1932 , James Chadwick
Kenen tai minkä mukaan on nimetty Lat. neutraali juuri ja tavallinen partikkeliliite ( he )
kvanttiluvut
Sähkövaraus 0
baryonin numero yksi
Pyöritä 1/2 ħ
Magneettinen momentti −1.913 042 73(45) ydinmagnetoni [5] tai −9.662 365 1(23)×10 −27 J / T [6]
Sisäinen pariteetti yksi
Isotooppinen spin −1/2
Outoa 0
viehätys 0
Muut ominaisuudet
Quark koostumus udd
Hajoamissuunnitelma (99,7 %); (0,309 %)
 Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa

Neutron ( lat.  neuter  - ei toinen eikä toinen) on raskas alkuainehiukkanen , jolla ei ole sähkövarausta . Neutroni on fermioni ja kuuluu baryonien ryhmään . Neutronit ja protonit ovat atomiytimien kaksi pääkomponenttia [7] ; protonien ja neutronien yleinen nimi on nukleonit .

Discovery

Neutronin löytö (27. helmikuuta 1932 ) kuuluu fyysikko James Chadwickille , joka selitti W. Bothen ja G. Beckerin ( 1930 ) kokeiden tulokset , joissa havaittiin, että hajoamisen aikana vapautuneet α-hiukkaset . Polonium , joka vaikuttaa kevyisiin alkuaineisiin, johtaa voimakkaasti läpäisevän säteilyn syntymiseen. Chadwick ehdotti ensimmäisenä, että uusi läpäisevä säteily koostuu neutroneista ja määritti niiden massan [8] [9] . Tästä löydöstä hän sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1935 .

Vuonna 1930 V. A. Ambartsumyan ja D. D. Ivanenko osoittivat, että atomi ei voi, kuten tuohon aikaan uskottiin, koostua vain protoneista ja elektroneista , että ytimestä beetahajoamisen aikana emittoidut elektronit syntyvät hajoamishetkellä ja että sen lisäksi protoneja, joidenkin neutraalien hiukkasten täytyy olla läsnä ytimessä [10] [11] .

Vuonna 1930 Walter Bothe ja hänen oppilaansa Herbert Becker, jotka työskentelevät Saksassa , havaitsivat, että jos polonium-210 :n lähettämät korkeaenergiset alfahiukkaset osuvat joihinkin kevyisiin elementteihin, erityisesti berylliumiin tai litiumiin , syntyy säteilyä, jolla on epätavallisen suuri läpäisykyky. Aluksi ajateltiin, että tämä on gammasäteilyä , mutta kävi ilmi, että sillä on paljon suurempi tunkeutumiskyky kuin kaikilla tunnetuilla gammasäteillä, eikä kokeen tuloksia voi tulkita tällä tavalla. Vuonna 1932 Irene ja Frédéric Joliot-Curie tekivät tärkeän panoksen . He osoittivat, että jos tämä tuntematon säteily osuu parafiiniin tai mihin tahansa muuhun vetyä sisältävään yhdisteeseen, syntyy korkeaenergisiä protoneja . Tämä ei sinänsä ollut ristiriidassa minkään kanssa, mutta numeeriset tulokset johtivat epäjohdonmukaisuuksiin teoriassa. Myöhemmin samana vuonna 1932 englantilainen fyysikko James Chadwick suoritti sarjan kokeita, joissa hän osoitti, että gammasäteilyhypoteesi oli kestämätön . Hän ehdotti, että tämä säteily koostuu varautumattomista hiukkasista, joiden massa on lähellä protonin massaa, ja suoritti sarjan kokeita, jotka vahvistivat tämän hypoteesin. Nämä varauksettomat hiukkaset nimettiin neutroneiksi latinan juuresta neutraali ja tavallisesta hiukkasliitteestä ( he ). Samassa vuonna 1932 D. D. Ivanenko [12] ja sitten W. Heisenberg ehdottivat, että atomiydin koostuu protoneista ja neutroneista.

Tärkeimmät ominaisuudet

Huolimatta nollasta sähkövarauksesta , neutroni ei ole todella neutraali hiukkanen . Neutronin antihiukkanen on antineutroni , joka ei ole sama kuin neutroni itse. Neutroni tuhoutuu antineutronin ja muiden antihadronien (erityisesti antiprotonin) kanssa.

Neutroni liittyy useisiin fysikaalisiin suureisiin, joilla on pituusmitta:

Rakenne ja hajoaminen

Uskotaan, että neutroni on kolmen kvarkin sidottu tila : yksi "ylös" (u) ja kaksi "alas" (d) kvarkkia (kvarkkirakenne udd). Protonin ja neutronin massojen läheisyys johtuu likimääräisen isotooppiinvarianssin ominaisuudesta : protonissa (kvarkkirakenne uud) yksi d-kvarkki on korvattu u-kvarkilla , mutta koska näiden kvarkkien massat ovat hyvin lähellä , sellaisella korvauksella on vain vähän vaikutusta komposiittihiukkasen massaan.

Koska neutroni on raskaampi kuin protoni, se voi hajota vapaassa tilassa. Ainoa energian säilymislain sekä sähkövarauksen, baryoni- ja leptonikvanttilukujen säilymislakien sallima hajoamiskanava on neutronin beeta-hajoaminen protoniksi , elektroniksi ja elektroniksi antineutriinoksi (ja joskus gamma-kvanttiksi ) . 21] ). Koska tämä hajoaminen tapahtuu leptonien muodostumisen ja kvarkkien maun muuttumisen myötä, sen täytyy tapahtua vain heikon vuorovaikutuksen vuoksi . Kuitenkin heikon vuorovaikutuksen erityisominaisuuksista johtuen tämän reaktion nopeus on epänormaalin alhainen johtuen erittäin alhaisesta energian vapautumisesta (alku- ja loppuhiukkasten massojen ero). Tämä selittää sen tosiasian, että neutroni on todellinen pitkämaksainen alkuainehiukkasten joukossa: sen elinikä , joka on noin 15 minuuttia , on noin miljardi kertaa pidempi kuin myonin  , metastabiilin hiukkasen, eliniän aikana neutronia seuraavat.

Lisäksi protonin ja neutronin välinen massaero, joka on 1,293 332 36(46) MeV [22] (tai 0,001 388 449 33(49) a.m.u. [23] ), on pieni ydinfysiikan standardien mukaan . Tämän seurauksena ytimissä neutroni voi olla syvemmässä potentiaalikuolassa kuin protoni, ja siksi neutronin beeta-hajoaminen osoittautuu energeettisesti epäedulliseksi. Tämä johtaa siihen tosiasiaan, että neutroni voi olla stabiili ytimissä. Lisäksi ytimissä, joissa ei ole neutroneja, tapahtuu protonin beeta-hajoaminen neutroniksi (jossa kiertoradalla oleva elektroni siepataan tai positroni emission ); tämä prosessi on energeettisesti kielletty vapaalle protonille.

Kvarkkitasolla neutronien beeta-hajoamista voidaan kuvata yhden d-kvarkin muuttumisena u-kvarkeiksi virtuaalisen W - bosonin emissiolla , joka hajoaa välittömästi elektroniksi ja elektroniantineutriinoksi.

Vapaan neutronin hajoamisen tutkiminen on tärkeää heikon vuorovaikutuksen ominaisuuksien selvittämiseksi sekä aikainvarianssin rikkomusten, neutroni-antineutronivärähtelyjen jne. etsimisessä.

Neutronin sisäistä rakennetta tutki ensin kokeellisesti R. Hofstadter tutkimalla suurienergisten elektronien ( 2 GeV ) törmäyksiä neutronien kanssa, jotka muodostavat deuteronin (Nobelin fysiikan palkinto 1961) [24] . Neutroni koostuu raskaasta ytimestä (ytimestä), jonka säde on ≈ 0,25 10 −13 cm ja jonka massa ja varaustiheys on korkea ja jonka kokonaisvaraus on ≈ +0,35 e , ja suhteellisen harvinaisesta kuoresta ("mesonipinnoite") ) ympäröivät sitä. Etäisyydellä ≈ 0,25·10 −13 - ≈ 1,4·10 −13 cm tämä kuori koostuu pääasiassa virtuaalisista ρ- ja π - mesoneista ja sen kokonaisvaraus on ≈ -0,50 e . ≈ 2,5·10 −13 cm :n etäisyyden keskustasta yli ulottuu virtuaalisten ω - ja π - mesonien kuori, joiden kokonaisvaraus on noin +0,15 e [25] [20] .

Muut ominaisuudet

Neutroni- ja protoni -isospinit ovat samat ( 1⁄2 ) , mutta niiden projektiot ovat etumerkillisesti vastakkaiset. Neutroni- isospin-projektio on perushiukkasfysiikassa sopimuksella yhtä suuri kuin −1⁄2 , ydinfysiikassa + 1⁄2 ( koska useimmissa ytimissä on enemmän neutroneja kuin protoneja, tämä sopimus mahdollistaa negatiivisten kokonaisisospin-projektioiden välttämisen).

Neutroni ja protoni yhdessä  -baryonien kanssa ovat osa baryonien oktettia, joilla on spin ja baryonivaraus [26] .

Neutroni on ainoa lepomassan omaava alkuainehiukkanen, jolla on suoraan havaittu gravitaatiovuorovaikutus, eli hyvin kollimoidun ultrakylmien neutroninsäteen liikeradan kaarevuus maan gravitaatiokentässä. Neutronien mitattu painovoimakiihtyvyys kokeellisen tarkkuuden rajoissa osuu yhteen makroskooppisten kappaleiden painovoimakiihtyvyyden kanssa [27] .

Valtava paine neutronitähden sisällä voi muuttaa neutronien muotoa niin, että ne saavat kuution muodon [28] .

Neutronifysiikan tutkimussuunnat

Perustutkimus:

Soveltava tutkimus:

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 2018 CODATA Suositellut arvot: neutronien massaenergian ekvivalentti MeV:nä Arkistoitu 1. heinäkuuta 2015 Wayback Machinessa .
  2. ↑ 1 2 2018 CODATA Suositellut arvot: neutronimassa Arkistoitu 27. marraskuuta 2015 Wayback Machinessa .
  3. ↑ 1 2 2018 CODATA Suositellut arvot: neutronimassa in u Arkistoitu 27. joulukuuta 2011 Wayback Machinessa .
  4. ↑ 1 2 3 4 J. Beringer et ai. (Particle Data Group), Phys. Rev. D86, 010001 (2012) ja 2013 osittainen päivitys vuoden 2014 painokseen. http://pdg.lbl.gov/2013/listings/rpp2013-list-n.pdf Arkistoitu 22. helmikuuta 2014 Wayback Machinessa
  5. ↑ 1 2 2018 CODATA Suositellut arvot: neutronien magneettisen momentin suhde ydinmagnetoniin Arkistoitu 1. syyskuuta 2012 Wayback Machinessa .
  6. ↑ 1 2 2018 CODATA Suositellut arvot: neutronimagneettinen momentti Arkistoitu 1. syyskuuta 2012 Wayback Machinessa .
  7. ↑ Neutroneita löytyy kaikista tunnetuista atomiytimistä, paitsi yhdestä protonista koostuvan vedyn kevyen isotoopin ytimessä - protiumissa .
  8. ↑ Shirokov, 1972 , s. 483.
  9. ↑ Chadwick, James. Neutronin mahdollinen olemassaolo   // Luonto . - 1932. - Voi. 129 , no. 3252 . - s. 312 . - doi : 10.1038/129312a0 . — .
  10. ↑ Ambarzumian V., Iwanenko D. Les elektrons inobservables et les rayons // Compt. Repiä. Acad. sci. Pariisi. - 1930. - T. 190 . - S. 582 .
  11. ↑ VA Ambartsumian - elämä tieteessä   // Astrofysiikka . - Springer , 2008. - Voi. 51 . - s. 280-293 . - doi : 10.1007/s10511-008-9016-6 .
  12. ↑ Iwanenko D. Neutronihypoteesi   // Luonto . - 1932. - Voi. 129 , iss. 3265 , no. (28. toukokuuta 1932) . - s. 798 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1007/s10511-008-9016-6 .
  13. ↑ 2018 CODATA Suositellut arvot: neutroni-elektronimassasuhde Arkistoitu 21. toukokuuta 2012 Wayback Machinessa .
  14. ↑ 1 2 Bethe G. , Morrison F. Ytimen perusteoria. - M .: IL, 1956. - S. 50.
  15. ↑ Eri menetelmillä tehdyt neutronien eliniän mittaukset eroavat edelleen. . "Elementit". Tieteen uutisia. Fysiikka. (3. joulukuuta 2013). Käyttöpäivä: 11. joulukuuta 2013. Arkistoitu alkuperäisestä 17. joulukuuta 2013.
  16. ↑ Mukhin K. Eksoottista ydinfysiikkaa uteliaalle arkistokopiolle 13. toukokuuta 2017 Wayback Machinessa // Tiede ja elämä . - 2017. - nro 5. - s. 104.
  17. ↑ Shirokov, 1972 , s. 67.
  18. ↑ Livechart - Nukliditaulukko - Ydinrakenne- ja hajoamistiedot . Haettu 15. helmikuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 29. syyskuuta 2021.
  19. ↑ [nucl-ex/0509018] Neutronin keskimääräisen neliövarauksen säteen mittaaminen neutroniinterferometriaa käyttämällä
  20. ↑ 1 2 Zhdanov G. B. Elastinen sironta, perifeeriset vuorovaikutukset ja resononit // Korkean energian hiukkaset. Korkeat energiat avaruudessa ja laboratoriossa. - M . : Nauka, 1965. - S. 132.
  21. ↑ Kokeellisesti on osoitettu, että säteilyn beeta-hajoaminen (eli hajoaminen elektronin, elektronin antineutrinon ja lisäksi gamma-kvantin emissiolla) esiintyy 0,309 %:ssa kaikista neutronien vaimenemista. Neutronin beeta-hajoaminen sidottuun tilaan, toisin sanoen emittoidun elektronin vangitseminen muodostuneen protonin kiertoradalle, ennustettiin teoriassa, mutta sitä ei ole vielä löydetty; on osoitettu, että tällainen prosessi esiintyy vain alle 3 prosentissa tapauksista. Katso neutronien beetahajoaminen .
  22. ↑ 2018 CODATA Suositellut arvot: neutronien ja protonien massa-eron energiaekvivalentti MeV:ssä Arkistoitu 12. lokakuuta 2019 Wayback Machinessa .
  23. ↑ 2018 CODATA Recommended Values: neutroni-protonimassaero u:ssa Arkistoitu 5. syyskuuta 2012 Wayback Machinessa .
  24. ↑ Hofstadter R. Ydinten ja nukleonien rakenne  // UFN . - 1963. - T. 81 , no. 1 . - S. 185-200 .
  25. ↑ Shchelkin K. I. Virtuaaliprosessit ja nukleonin rakenne // Mikromaailman fysiikka. - M . : Atomizdat, 1965. - S. 75.
  26. ↑ Mikromaailman fysiikka, 1980 , s. 283.
  27. ↑ "FYSIIKKA" Suuri Encyclopedic Dictionary, Tieteellinen kustantaja "Big Russian Encyclopedia", M., 1998, s. 453.
  28. ↑ Felipe J. Llanes-Estrada, Gaspar Moreno Navarro (2011), Cubic neutrons, arΧiv : 1108.1859v1 [nucl-th]. 
  29. ↑ Shirokov, 1972 , s. 484.

Kirjallisuus

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat