Właściwości neutronu
Neutron (n) jest obojętną elektrycznie cząstką subjądrową o masie spoczynkowej wynoszącej ok. 1,675 · 10−27 kg, momencie magnetycznym o wartości -1,91 magnetonów jądrowych (µN), niecałkowitym spinie ½ (liczbie spinowej ½) oraz liczbie barionowej wynoszącej 1. Neutron został odkryty w 1932 r. przez angielskiego fizyka Jamesa Chadwicka; antycząstka neutronu (antyneutron) została odkryta w 1956 r. przez amerykańskiego fizyka Bruce’a Corka.Neutron należy do grupy hadronów, złożonych cząstek subjądrowych uczestniczących w oddziaływaniach silnych, składających się z kwarków bądź gluonów. Neutron z protonem (nukleony) jako cząstki posiadające niecałkowity spin (fermiony) zaliczane są do podgrupy hadronów – barionów. Neutron jest cząstką złożoną z połączonych silnym oddziaływaniem kwarków – dwóch kwarków dolnych (d) i jednego kwarku górnego (u). Antyneutron (ń), różniący się od neutronu momentem magnetycznym (+1,91 µN) oraz liczbą barionową (-1), zbudowany jest z dwóch antykwarków antydolnych (d') i jednego antykwarku antygórnego (ū).
Neutrony, jak wszystkie cząstki elementarne, wykazują dualizm korpuskularno-falowy – przejawiają zarówno cechy cząstek obdarzonych masą (właściwości korpuskularne) oraz cechy fali (fale materii, fale de Broglie’a) – mogą ulegać zjawiskom dyfrakcji i interferencji.
Struktura materii – od cząsteczki do kwarków, źródło: shutterstock
Neutron jako składnik atomu
Atom jest podstawowym składnikiem materii, składającym się z jądra atomowego o dużej gęstości (ok. 99,9% masy całego atomu) oraz krążących wokół jądra ujemnie naładowanych elektronów. Jądro atomowe składa się z określonej liczby trwałych, dodatnio naładowanych protonów (liczba atomowa, Z) oraz z określonej liczby obojętnych elektrycznie, przeważnie trwałych neutronów (liczba neutronowa, N). Suma nukleonów (protonów i neutronów) określana jest jako liczba masowa, A (A = Z + N). Atomy zawierające tę samą liczbę protonów (o tej samej liczbie atomowej) są atomami tego samego pierwiastka; atomy różniące się liczbą neutronów (liczbą neutronową oraz liczba masową) stanowią izotopy danego pierwiastka chemicznego.Protony i neutrony wiązane są w jądra atomowe za pomocą silnych oddziaływań, zwanych siłami jądrowymi. Są one na ogół siłami przyciągającymi, cechują się krótkim zasięgiem działania (ok. 1-2 fm) oraz niezależnością od ładunku elektrycznego nukleonów – siły działające pomiędzy protonami (p-p), neutronami (n-n) oraz protonami i neutronami (p-n) wykazują w przybliżeniu równe wartości. Protony i neutrony pod wpływem sił jądrowych zachowują się jak dwa stany kwantowe tej samej cząstki – tworzą tzw. dublet izospinowy (izospin).
Neutron swobodny
Neutrony swobodne (n0) występujące w postaci niezwiązanej z jądrem atomowym są cząstkami nietrwałymi o średnim czasie życia wynoszącym ok. 15 minut (881,5 ± 1,5 s). Ulegają one procesom rozpadu promieniotwórczego (rozpadu β⁻) przebiegających z wytworzeniem protonu (p+), elektronu (e-) oraz antyneutrina elektronowego (Ve)
Rozpad β⁻, źródło: shutterstock
Naturalnym źródłem promieniowania neutronowego składającego się z swobodnych neutronów są procesy spalacji (kruszenia jądra atomowego), polegające na bombardowaniu atomów atmosfery ziemskiej przez cząstki promieniowania kosmicznego (np. miony). Emisja neutronów swobodnych może być również spowodowana spontanicznymi procesami rozszczepienia jąder pierwiastków obecnych w minerałach skorupy ziemskiej (np. uranu, toru).
Neutrony swobodne na potrzeby badawcze uzyskiwane są na drodze reakcji rozszczepienia jądra atomowego (w reaktorach jądrowych), rozpadu promieniotwórczego izotopów niektórych pierwiastków (np. kalifornu ²⁵²Cf) oraz syntezy jądrowej (fuzji termojądrowej) polegającej na łączeniu dwóch lżejszych jąder atomowych w jedno jądro cięższe (np. fuzja jąder izotopów wodoru, deuteru i trytu, przeprowadzana w generatorze neutronów).
Wykorzystanie neutronów
Neutrony wykorzystywane są w badaniach jąder atomowych i sił jądrowych, w produkcji nuklidów promieniotwórczych oraz energii jądrowej. Cząstki te mają również zastosowanie w badaniach struktury ciał stałych i cieczy (np. dzięki wykorzystaniu zjawiska dyfrakcji neutronów termicznych na sieci krystalicznej analizowanej substancji) oraz w wykrywaniu i oznaczaniu pierwiastków chemicznych w badanym materiale (NAA – neutronowa analiza aktywacyjna).Promieniowanie neutronowe wykorzystywane jest w terapii chorób nowotworowych (radioterapii). Stosuje się w tym celu neutrony superszybkie (terapia szybkimi neutronami, FNT) oraz neutrony epitermiczne (terapia borowo-neutronowa, BNCT).
Reakcja fuzji termojądrowej. W wyniku połączenia się jąder deuteru i trytu powstaje jądro helu i neutron oraz wydzielana jest energia, źródło: shutterstock
Bibliografia
- Loretta Jones, Peter Atkins; “Chemia ogólna – cząsteczki, materia, reakcje”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009.;
- Andrew Burrows, John Holman, Andrew Parsons, Gwen Pilling, Gareth Price; “Chemistry. Introducing inorganic, organic and physical chemistry, ”; Oxford University Press, 2017.;
- “Nowa Encyklopedia Powszechna PWN”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997.;
- K.-H. Lautenschlager, W. Schroter, A. Wanninger, ; “Nowoczesne kompendium chemii”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2016. ;
- K.M. Pazdro; “Podstawy chemii dla kandydatów na wyższe uczelnie”; Wydawnictwo Edukacyjne, Warszawa 1991.;
- Adam Bielański; “Podstawy chemii nieorganicznej – część 2”; Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1994.;
- promil
