Neutron

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 1. dubna 2021; kontroly vyžadují 10 úprav .
Neutron  ( )
Rodina fermion
Skupina hadron , baryon , N-baryon , nukleon
Účastní se interakcí Silné , slabé , elektromagnetické a gravitační
Antičástice antineutron
Hmotnost 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]
Život 880,0 ± 0,9 s [4]
Teoreticky oprávněné V roce 1930 V. A. Ambartsumyan a D. D. Ivanenko ; v roce 1930 Walter Bothe a jeho student Herbert Becker, který působil v Německu
Objevil 27. února 1932 James Chadwick
Po kom nebo co je pojmenováno Z lat. kořenový neutrální a obvyklá přípona částic na (on)
kvantová čísla
Elektrický náboj 0
baryonové číslo jeden
Roztočit 1/2 ħ
Magnetický moment −1,913 042 73(45) jaderný magneton [5] nebo −9,662 365 1(23)×10 −27 J / T [6]
Vnitřní parita jeden
Izotopový spin −1/2
Podivnost 0
kouzlo 0
Další vlastnosti
Složení kvarku udd
Schéma rozpadu (99,7 %); (0,309 %)
 Mediální soubory na Wikimedia Commons

Neutron (z lat.  neutr  – ani jedno, ani druhé) je těžká elementární částice , která nemá elektrický náboj . Neutron je fermion a patří do skupiny baryonů . Neutrony a protony jsou dvě hlavní složky atomových jader [7] ; společný název pro protony a neutrony je nukleony .

Objev

Objev neutronu (27. února 1932 ) patří fyzikovi Jamesi Chadwickovi , který vysvětlil výsledky experimentů W. Bothe a G. Beckera ( 1930 ), ve kterých bylo zjištěno, že α-částice emitované během rozpadu polonia , působící na světelné prvky, vedou ke vzniku silně pronikajícího záření. Chadwick jako první navrhl, že nové pronikavé záření se skládá z neutronů a určil jejich hmotnost [8] [9] . Za tento objev obdržel v roce 1935 Nobelovu cenu za fyziku .

V. A. Ambartsumyan a D. D. Ivanenko v roce 1930 ukázali, že atom se nemůže, jak se tehdy věřilo, skládat pouze z protonů a elektronů , že elektrony emitované z jádra během beta rozpadu se rodí v okamžiku rozpadu, a že kromě protony, v jádře musí být přítomny nějaké neutrální částice [10] [11] .

V roce 1930 Walter Bothe a jeho student Herbert Becker pracující v Německu zjistili, že pokud vysokoenergetické alfa částice emitované poloniem-210 narazí na některé lehké prvky, zejména beryllium nebo lithium , vzniká záření s neobvykle vysokou pronikavou silou. Nejprve se myslelo, že se jedná o gama záření , ale ukázalo se, že má mnohem větší pronikavou sílu než všechna známá gama záření a výsledky experimentu nelze takto interpretovat. Důležitý příspěvek učinili v roce 1932 Irene a Frédéric Joliot-Curieovi . Ukázali, že pokud toto neznámé záření zasáhne parafín nebo jakoukoli jinou sloučeninu bohatou na vodík , vytvoří se vysokoenergetické protony . To samo o sobě nic neodporovalo, ale číselné výsledky vedly k nesrovnalostem v teorii. Později ve stejném roce 1932 provedl anglický fyzik James Chadwick sérii experimentů, ve kterých ukázal, že hypotéza gama záření je neudržitelná. Navrhl, že toto záření sestává z nenabitých částic s hmotností blízkou hmotnosti protonu, a provedl řadu experimentů, které tuto hypotézu potvrdily. Tyto nenabité částice byly pojmenovány neutrony z latinského kořene neutrální a obvyklé přípony částic on (he). Ve stejném roce 1932 D. D. Ivanenko [12] a poté W. Heisenberg navrhli, že atomové jádro se skládá z protonů a neutronů.

Klíčové vlastnosti

Přestože má neutron nulový elektrický náboj , není skutečně neutrální částicí . Antičástice neutronu je antineutron , což není totéž jako samotný neutron. Neutron anihiluje s antineutronem a dalšími antihadrony (zejména s antiprotonem).

Neutron je spojen s několika fyzikálními veličinami, které mají rozměr délky:

Struktura a rozpad

Považuje se za spolehlivě prokázané, že neutron je vázaným stavem tří kvarků : jednoho kvarku „nahoru“ (u) a dvou kvarků „dolů“ (d) (kvarková struktura udd). Blízkost hmotností protonu a neutronu je dána vlastností přibližné izotopové invariance : v protonu (kvarková struktura uud) je jeden d-kvark nahrazen u-kvarkem , ale protože hmotnosti těchto kvarků jsou velmi blízké taková náhrada má malý vliv na hmotnost složené částice.

Protože je neutron těžší než proton, může se ve volném stavu rozpadnout. Jediným rozpadovým kanálem, který umožňuje zákon zachování energie a zákony zachování elektrického náboje, baryonových a leptonových kvantových čísel, je beta rozpad neutronu na proton , elektron a elektronové antineutrino ( a někdy i gama kvantum ). 21] ). Protože k tomuto rozpadu dochází s tvorbou leptonů a změnou chuti kvarků, musí k němu dojít pouze díky slabé interakci . Vzhledem ke specifickým vlastnostem slabé interakce je však rychlost této reakce abnormálně nízká kvůli extrémně nízkému uvolňování energie (rozdíl v hmotnostech počátečních a konečných částic). To vysvětluje skutečnost, že neutron je skutečná dlouhá játra mezi elementárními částicemi: jeho životnost , přibližně 15 minut , je asi miliardkrát delší než životnost mionu  , metastabilní částice následující po neutronu během života.

Navíc hmotnostní rozdíl mezi protonem a neutronem, který je 1,293 332 36(46) MeV [22] (nebo 0,001 388 449 33(49) a.m.u. [23] ), je podle standardů jaderné fyziky malý . Výsledkem je, že v jádrech může být neutron v hlubší potenciálové jámě než proton, a proto se beta rozpad neutronu ukazuje jako energeticky nepříznivý. To vede k tomu, že neutron může být v jádrech stabilní. Navíc v jádrech s nedostatkem neutronů dochází k beta rozpadu protonu na neutron (se zachycením orbitálního elektronu nebo emisí pozitronu ); tento proces je pro volný proton energeticky zakázán.

Na úrovni kvarků lze rozpad neutronu beta popsat jako přeměnu jednoho z d-kvarků na u-kvark s emisí virtuálního W − bosonu , který se okamžitě rozpadne na elektron a elektronové antineutrino.

Studium rozpadu volného neutronu je důležité pro objasnění vlastností slabé interakce, stejně jako hledání porušení časové invariance, neutron-antineutronových oscilací atd.

Vnitřní strukturu neutronu poprvé experimentálně zkoumal R. Hofstadter studiem srážek svazku vysokoenergetických elektronů ( 2 GeV ) s neutrony, které tvoří deuteron (Nobelova cena za fyziku 1961) [24] . Neutron se skládá z těžkého jádra (jádra) o poloměru ≈ 0,25 10 −13 cm , s vysokou hmotností a hustotou náboje, které má celkový náboj ≈ +0,35 e , a relativně řídkého obalu ("mezonový plášť" ) kolem něj. Ve vzdálenosti od ≈ 0,25·10 −13 do ≈ 1,4·10 −13 cm se tato slupka skládá hlavně z virtuálních mezonů ρ a π a má celkový náboj ≈ −0,50 e . Za vzdálenost ≈ 2,5·10 −13 cm od středu se rozprostírá obal virtuálních mezonů ω - a π - , který nese celkový náboj asi +0,15 e [25] [20] .

Další vlastnosti

Neutronové a protonové isospiny jsou stejné ( 1 ⁄ 2 ), ale jejich projekce mají opačné znaménko. Neutronová isospinová projekce podle konvence ve fyzice elementárních částic se rovná − 1 ⁄ 2 , v jaderné fyzice + 1 ⁄ 2 (protože ve většině jader je více neutronů než protonů, tato konvence umožňuje vyhnout se negativním celkovým isospinovým projekcím).

Neutron a proton jsou spolu s  - baryony součástí oktetu baryonů se spinem a baryonovým nábojem [26] .

Neutron je jedinou elementární částicí s klidovou hmotností, u které byla přímo pozorována gravitační interakce, tedy zakřivení trajektorie dobře kolimovaného svazku ultrachladných neutronů v zemském gravitačním poli. Naměřené tíhové zrychlení neutronů se v mezích experimentální přesnosti shoduje s tíhovým zrychlením makroskopických těles [27] .

Obrovským tlakem uvnitř neutronové hvězdy se mohou neutrony deformovat do té míry, že získají tvar krychle [28] .

Směry výzkumu v neutronové fyzice

Základní výzkum:

Aplikovaný výzkum:

Poznámky

  1. ↑ 1 2 2018 CODATA Doporučené hodnoty: hmotnostní energetický ekvivalent neutronů v MeV Archivováno 1. července 2015 na Wayback Machine .
  2. ↑ 1 2 2018 CODATA Doporučené hodnoty: hmotnost neutronů Archivováno 27. listopadu 2015 na Wayback Machine .
  3. ↑ 1 2 2018 CODATA Doporučené hodnoty: hmotnost neutronů v u Archivováno 27. prosince 2011 na Wayback Machine .
  4. ↑ 1 2 3 4 J. Beringer a kol. (Skupina údajů o částicích), Phys. Rev. D86, 010001 (2012) a částečná aktualizace 2013 pro vydání 2014. http://pdg.lbl.gov/2013/listings/rpp2013-list-n.pdf Archivováno 22. února 2014 na Wayback Machine
  5. ↑ 1 2 2018 CODATA Doporučené hodnoty: poměr neutronového magnetického momentu k poměru jaderného magnetonu Archivováno 1. září 2012 na Wayback Machine .
  6. ↑ 1 2 2018 CODATA Doporučené hodnoty: neutronový magnetický moment Archivováno 1. září 2012 na Wayback Machine .
  7. ↑ Neutrony se nacházejí ve všech známých atomových jádrech, kromě jádra lehkého izotopu vodíku - protium , sestávajícího z jednoho protonu.
  8. ↑ Širokov, 1972 , s. 483.
  9. ↑ Chadwick, James. Možná existence neutronu   // Povaha . - 1932. - Sv. 129 , č. 3252 . — S. 312 . - doi : 10.1038/129312a0 . — .
  10. ↑ Ambarzumian V., Iwanenko D. Les electrons inobservables et les rayons // Compt. Rend. Akad. sci. Paříž. - 1930. - T. 190 . - S. 582 .
  11. ↑ VA Ambartsumian - život ve vědě   // Astrofyzika . - Springer , 2008. - Sv. 51 . - str. 280-293 . - doi : 10.1007/s10511-008-9016-6 .
  12. ↑ Iwanenko D. Neutronová hypotéza   // Příroda . - 1932. - Sv. 129 , iss. 3265 , č.p. (28. května 1932) . — S. 798 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1007/s10511-008-9016-6 .
  13. ↑ 2018 CODATA Doporučené hodnoty: hmotnostní poměr neutronů a elektronů Archivováno 21. května 2012 na Wayback Machine .
  14. ↑ 1 2 Bethe G. , Morrison F. Elementární teorie jádra. - M. : IL, 1956. - S. 50.
  15. ↑ Měření doby života neutronů prováděná různými metodami se stále liší. . "Prvky". Vědecké novinky. Fyzika. (3. prosince 2013). Datum přístupu: 11. prosince 2013. Archivováno z originálu 17. prosince 2013.
  16. ↑ Mukhin K. Exotická jaderná fyzika pro zvědavou Archivní kopii z 13. května 2017 na Wayback Machine // Science and Life . - 2017. - č. 5. - S. 104.
  17. ↑ Širokov, 1972 , s. 67.
  18. ↑ Živý graf - Tabulka nuklidů - Údaje o jaderné struktuře a rozpadu . Získáno 15. února 2021. Archivováno z originálu dne 29. září 2021.
  19. ↑ [nucl-ex/0509018] Měření středního kvadratického poloměru náboje neutronu pomocí neutronové interferometrie
  20. ↑ 1 2 Zhdanov G. B. Elastický rozptyl, periferní interakce a rezonony // Vysokoenergetické částice. Vysoké energie ve vesmíru a laboratoři. - M .: Nauka, 1965. - S. 132.
  21. ↑ Experimentálně bylo zjištěno, že radiační beta rozpad (tj. rozpad s emisí elektronu, elektronového antineutrina a navíc gama kvanta) se vyskytuje u 0,309 % všech rozpadů neutronů. Beta rozpad neutronu do vázaného stavu, tedy se zachycením emitovaného elektronu na oběžnou dráhu kolem vzniklého protonu, byl teoreticky předpovězen, ale dosud nebyl objeven; bylo zjištěno, že k takovému procesu dochází pouze v méně než 3 % případů. Viz rozpad neutronu beta .
  22. ↑ 2018 CODATA Doporučené hodnoty: energetický ekvivalent neutron-proton hmotnostního rozdílu v MeV Archivováno 12. října 2019 na Wayback Machine .
  23. ↑ 2018 CODATA Doporučené hodnoty: rozdíl hmotnosti neutronů a protonů v u Archivováno 5. září 2012 na Wayback Machine .
  24. ↑ Hofstadter R. Struktura jader a nukleonů  // UFN . - 1963. - T. 81 , čís. 1 . - S. 185-200 .
  25. ↑ Shchelkin K. I. Virtuální procesy a struktura nukleonu // Fyzika mikrosvěta. - M .: Atomizdat, 1965. - S. 75.
  26. ↑ Fyzika mikrosvěta, 1980 , str. 283.
  27. ↑ "FYZIKA" Velký encyklopedický slovník, Vědecké nakladatelství "Velká ruská encyklopedie", M., 1998, str. 453.
  28. ↑ Felipe J. Llanes-Estrada, Gaspar Moreno Navarro (2011), Kubické neutrony, arΧiv : 1108.1859v1 [nukl-th]. 
  29. ↑ Širokov, 1972 , s. 484.

Literatura

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie