Neutron

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 1 april 2021; kontroller kräver 10 redigeringar .
Neutron  ( )
En familj fermion
Grupp hadron , baryon , N-baryon , nukleon
Deltar i interaktioner Stark , svag , elektromagnetisk och gravitation
Antipartikel antineutron
Vikt 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]
Livstid 880,0 ± 0,9 s [4]
Teoretiskt motiverat 1930, V. A. Ambartsumyan och D. D. Ivanenko ; 1930, Walter Bothe och hans elev Herbert Becker, som arbetade i Tyskland
Upptäckt 27 februari 1932 av James Chadwick
Vem eller vad är uppkallad efter Från lat. det rotneutrala och det vanliga partikelsuffixet på ( he)
kvanttal
Elektrisk laddning 0
baryonnummer ett
Snurra 1/2 ħ
Magnetiskt ögonblick −1,913 042 73(45) kärnmagneton [5] , eller −9,662 365 1(23)×10 −27 J / T [6]
Intern paritet ett
Isotopisk spinn −1/2
Konstighet 0
Charmen 0
Övriga fastigheter
Quark komposition udd
Förfallsschema (99,7%); (0,309 %)
 Mediafiler på Wikimedia Commons

Neutron (av lat.  neutrum  - varken det ena eller det andra) är en tung elementarpartikel som inte har någon elektrisk laddning . Neutronen är en fermion och tillhör gruppen baryoner . Neutroner och protoner är de två huvudkomponenterna i atomkärnor [7] ; det vanliga namnet för protoner och neutroner är nukleoner .

Upptäckt

Upptäckten av neutronen (27 februari 1932 ) tillhör fysikern James Chadwick , som förklarade resultaten av experimenten av W. Bothe och G. Becker ( 1930 ), där man fann att α-partiklar emitterade under sönderfallet. av polonium , som verkar på lätta element, leder till uppkomsten av en starkt penetrerande strålning. Chadwick var den första som föreslog att den nya penetrerande strålningen består av neutroner och bestämde deras massa [8] [9] . För denna upptäckt fick han Nobelpriset i fysik 1935 .

1930 visade V. A. Ambartsumyan och D. D. Ivanenko att en atom inte, som man trodde på den tiden, endast kan bestå av protoner och elektroner , att elektroner som emitteras från kärnan under beta-sönderfall föds i sönderfallsögonblicket, och att det förutom bl.a. protoner måste vissa neutrala partiklar finnas i kärnan [10] [11] .

År 1930 upptäckte Walter Bothe och hans student Herbert Becker, som arbetade i Tyskland , att om högenergi- alfapartiklar som emitteras av polonium-210 träffar några lätta element, särskilt beryllium eller litium , produceras strålning med en ovanligt hög penetrerande kraft. Först trodde man att detta var gammastrålning , men det visade sig att den har en mycket större penetreringskraft än alla kända gammastrålar, och resultaten av experimentet kan inte tolkas på detta sätt. Ett viktigt bidrag gjordes 1932 av Irene och Frédéric Joliot-Curie . De visade att om denna okända strålning träffar paraffin , eller någon annan väterik förening , produceras högenergiprotoner . I och för sig motsade detta ingenting, men de numeriska resultaten ledde till inkonsekvenser i teorin. Senare samma år 1932 genomförde den engelske fysikern James Chadwick en serie experiment där han visade att gammastrålningshypotesen var ohållbar . Han föreslog att denna strålning består av oladdade partiklar med en massa nära en protons massa, och genomförde en serie experiment som bekräftade denna hypotes. Dessa oladdade partiklar kallades neutroner från den latinska roten neutrala och det vanliga partikelsuffixet på ( he). Samma 1932 föreslog D. D. Ivanenko [12] och sedan W. Heisenberg att atomkärnan består av protoner och neutroner.

Nyckelfunktioner

Trots att den har noll elektrisk laddning är neutronen inte en verkligt neutral partikel . Neutronens antipartikel är antineutronen , som inte är samma som neutronen själv. Neutronen förintas med antineutronen och andra antihadroner (särskilt med antiprotonen).

Neutronen är associerad med flera fysiska storheter som har dimensionen längd:

Struktur och förfall

Det anses tillförlitligt etablerat att neutronen är ett bundet tillstånd av tre kvarkar : en "upp" (u) och två "ner" (d) kvarkar (kvarkstruktur udd). Närheten till massorna av protonen och neutronen beror på egenskapen ungefärlig isotopinvarians : i protonen (kvarkstruktur uud) ersätts en d-kvark med en u-kvark , men eftersom massorna av dessa kvarkar är mycket nära en sådan ersättning har liten effekt på massan av kompositpartikeln.

Eftersom neutronen är tyngre än protonen kan den sönderfalla i fritt tillstånd. Den enda sönderfallskanalen som tillåts av lagen om bevarande av energi och lagarna för bevarande av elektrisk laddning, baryon- och leptonkvanttal är beta-sönderfallet av en neutron till en proton , en elektron och en elektron antineutrino (och ibland ett gammakvantum [ 21] ). Eftersom detta sönderfall inträffar med bildandet av leptoner och en förändring i smaken av kvarkar, måste det bara ske på grund av den svaga interaktionen . På grund av de specifika egenskaperna hos den svaga växelverkan, är dock hastigheten för denna reaktion onormalt låg på grund av den extremt låga energifrisättningen (skillnad i massorna av de initiala och slutliga partiklarna). Detta förklarar det faktum att neutronen är en riktig långlever bland elementarpartiklar: dess livslängd , ungefär lika med 15 minuter , är ungefär en miljard gånger längre än livslängden för myonen  , den metastabila partikel som följer neutronen under hela livet.

Dessutom är massskillnaden mellan en proton och en neutron, som är 1,293 332 36(46) MeV [22] (eller 0,001 388 449 33(49) a.m.u. [23] ), liten med kärnfysikens standarder . Som ett resultat, i kärnor, kan neutronen vara i en djupare potentialbrunn än protonen, och därför visar sig neutronens beta-sönderfall vara energimässigt ogynnsamt. Detta leder till att neutronen kan vara stabil i kärnor. I neutrondefekta kärnor inträffar dessutom beta-sönderfallet av en proton till en neutron (med infångning av en orbitalelektron eller emission av en positron ); denna process är energetiskt förbjuden för en fri proton.

På kvarknivå kan neutronbeta-sönderfall beskrivas som omvandlingen av en av d-kvarkarna till en u-kvark med emission av en virtuell W − boson , som omedelbart sönderfaller till en elektron och en elektron antineutrino.

Studiet av sönderfallet av en fri neutron är viktig för att klargöra egenskaperna hos den svaga interaktionen, samt söka efter överträdelser av tidsinvarians, neutron-antinutronoscillationer, etc.

Neutronens inre struktur studerades först experimentellt av R. Hofstadter genom att studera kollisioner mellan en stråle av högenergielektroner ( 2 GeV ) med neutroner som utgör deuteronet (Nobelpriset i fysik 1961) [24] . Neutronen består av en tung kärna (kärna) med en radie på ≈ 0,25 10 −13 cm , med hög massa och laddningstäthet, som har en total laddning på ≈ +0,35 e , och ett relativt sällsynt skal ("mesoncoat" ) som omger den. På ett avstånd från ≈ 0,25·10 −13 till ≈ 1,4·10 −13 cm består detta skal huvudsakligen av virtuella ρ- och π -mesoner och har en total laddning av ≈ −0,50 e . Bortom ett avstånd på ≈ 2,5·10 −13 cm från mitten sträcker sig ett skal av virtuella ω - och π - mesoner, som bär en total laddning på cirka +0,15 e [25] [20] .

Andra egenskaper

Neutron- och protonisospinnen är desamma ( 1 ⁄ 2 ), men deras projektioner är motsatta i tecken. Neutronisospinnprojektionen enligt konvention inom elementarpartikelfysik tas lika med − 1 ⁄ 2 , i kärnfysik + 1 ⁄ 2 (eftersom det finns fler neutroner i de flesta kärnor än protoner, tillåter denna konvention att undvika negativa totala isospinprojektioner).

Neutronen och protonen, tillsammans med  - baryoner, ingår i oktetten av baryoner med spinn och baryonladdning [26] .

Neutronen är den enda elementarpartikeln med en vilomassa för vilken gravitationsinteraktion har observerats direkt, det vill säga krökningen av banan för en välkollimerad stråle av ultrakalla neutroner i det terrestra gravitationsfältet. Den uppmätta gravitationsaccelerationen av neutroner, inom gränserna för experimentell noggrannhet, sammanfaller med gravitationsaccelerationen hos makroskopiska kroppar [27] .

Med ett enormt tryck inuti en neutronstjärna kan neutroner deformeras till den grad att de får formen av en kub [28] .

Riktningar för forskning i neutronfysik

Grundforskning:

Tillämpad forskning:

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 2018 CODATA Rekommenderade värden: neutronmassenergiekvivalent i MeV Arkiverad 1 juli 2015 på Wayback Machine .
  2. ↑ 1 2 2018 CODATA Rekommenderade värden: neutronmassa Arkiverad 27 november 2015 på Wayback Machine .
  3. ↑ 1 2 2018 CODATA Rekommenderade värden: neutronmassa i u Arkiverad 27 december 2011 på Wayback Machine .
  4. ↑ 1 2 3 4 J. Beringer et al. (Partikeldatagrupp), Phys. Varv. D86, 010001 (2012) och 2013 partiell uppdatering för 2014 års upplaga. http://pdg.lbl.gov/2013/listings/rpp2013-list-n.pdf Arkiverad 22 februari 2014 på Wayback Machine
  5. ↑ 1 2 2018 CODATA Rekommenderade värden: förhållande mellan neutronmagnetiskt moment och kärnmagneton Arkiverad 1 september 2012 på Wayback Machine .
  6. ↑ 1 2 2018 CODATA Rekommenderade värden: neutronmagnetiskt moment Arkiverad 1 september 2012 på Wayback Machine .
  7. ↑ Neutroner finns i alla kända atomkärnor, förutom kärnan i den lätta isotopen väte- protium , som består av en proton.
  8. ↑ Shirokov, 1972 , sid. 483.
  9. ↑ Chadwick, James. Möjlig förekomst av en neutron   // Natur . - 1932. - Vol. 129 , nr. 3252 . — S. 312 . - doi : 10.1038/129312a0 . — .
  10. ↑ Ambarzumian V., Iwanenko D. Les electrons inobservables et les rayons // Compt. Rämna. Acad. sci. Paris. - 1930. - T. 190 . - S. 582 .
  11. ↑ VA Ambartsumian - ett liv i vetenskapen   // Astrofysik . - Springer , 2008. - Vol. 51 . - S. 280-293 . - doi : 10.1007/s10511-008-9016-6 .
  12. ↑ Iwanenko D. Neutronhypotesen //   Nature . - 1932. - Vol. 129 , iss. 3265 , nr. (28 maj 1932) . — S. 798 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1007/s10511-008-9016-6 .
  13. ↑ 2018 CODATA Rekommenderade värden: neutron-elektronmassförhållande Arkiverad 21 maj 2012 på Wayback Machine .
  14. ↑ 1 2 Bethe G. , Morrison F. Elementär teori om kärnan. - M. : IL, 1956. - S. 50.
  15. ↑ Neutronlivslängdsmätningar gjorda med olika metoder skiljer sig fortfarande åt. . "Element". Vetenskapsnyheter. Fysik. (3 december 2013). Datum för åtkomst: 11 december 2013. Arkiverad från originalet den 17 december 2013.
  16. ↑ Mukhin K. Exotisk kärnfysik för den nyfikna arkivkopian daterad 13 maj 2017 på Wayback Machine // Science and Life . - 2017. - Nr 5. - P. 104.
  17. ↑ Shirokov, 1972 , sid. 67.
  18. ↑ Livechart - Tabell över nuklider - Nukleär struktur och sönderfallsdata . Hämtad 15 februari 2021. Arkiverad från originalet 29 september 2021.
  19. ↑ [nucl-ex/0509018] Mätning av neutronens genomsnittliga kvadratiska laddningsradie med hjälp av neutroninterferometri
  20. ↑ 1 2 Zhdanov G. B. Elastisk spridning, perifera interaktioner och resononer // Högenergipartiklar. Hög energi i rymden och laboratorium. - M . : Nauka, 1965. - S. 132.
  21. ↑ Det har experimentellt fastställts att strålningsbeta-sönderfall (det vill säga sönderfall med emission av en elektron, en elektron antineutrino och dessutom ett gammakvantum) förekommer i 0,309 % av alla neutronsönderfall. Beta-sönderfallet av en neutron till ett bundet tillstånd, det vill säga med infångningen av en emitterad elektron i en bana runt den bildade protonen, förutspåddes teoretiskt, men har ännu inte upptäckts; det har bara konstaterats att en sådan process förekommer i mindre än 3 % av fallen. Se neutronbeta-sönderfall .
  22. ↑ 2018 CODATA Rekommenderade värden: neutron-proton massdifferens energiekvivalent i MeV Arkiverad 12 oktober 2019 på Wayback Machine .
  23. ↑ 2018 CODATA Rekommenderade värden: neutron-protonmasskillnad i u Arkiverad 5 september 2012 på Wayback Machine .
  24. ↑ Hofstadter R. Struktur av kärnor och nukleoner  // UFN . - 1963. - T. 81 , nr. 1 . - S. 185-200 .
  25. ↑ Shchelkin K. I. Virtuella processer och nukleonens struktur // Mikrovärldens fysik. - M . : Atomizdat, 1965. - S. 75.
  26. ↑ Physics of the microworld, 1980 , sid. 283.
  27. ↑ "FYSIK" Big Encyclopedic Dictionary, Scientific Publishing House "Big Russian Encyclopedia", M., 1998, sid. 453.
  28. ↑ Felipe J. Llanes-Estrada, Gaspar Moreno Navarro (2011), Cubic neutrons, arΧiv : 1108.1859v1 [nucl-th]. 
  29. ↑ Shirokov, 1972 , sid. 484.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk