Che cos'è un neutrone in fisica: la struttura, le proprietà e l'uso

Cos'è un neutrone? Tale domanda si pone spesso in persone che non sono impegnate nella fisica nucleare, perché il neutrone in esso è inteso come una particella elementare, che non ha carica elettrica e ha una massa che è 1838.4 volte quella dell'elettrone. Insieme a un protone, la cui massa è leggermente più piccola della massa di un neutrone, è il "mattone" del nucleo atomico. Nella fisica delle particelle elementari, un neutrone e un protone si basano su due diverse forme di una singola particella, il nucleone.

Struttura di neutroni

Il neutrone è presente nel nucleo atomico per ciascun elemento chimico, l'unica eccezione è un atomo di idrogeno, il cui nucleo è un singolo protone. Cos'è un neutrone, che tipo di struttura ha? Sebbene sia chiamato il "mattone" elementare del nucleo, ha ancora una sua struttura interna. In particolare, appartiene alla famiglia del barione e consiste di tre quark, due dei quali sono quark del tipo inferiore e uno di questi è il superiore. Tutti i quark hanno un frazionario carica elettrica: ben caricato positivamente (+2/3 da carica di elettroni), quello inferiore è negativo (-1/3 della carica elettronica). Ecco perché un neutrone non ha una carica elettrica, perché è semplicemente compensato dai quark che lo costruiscono. Tuttavia, il momento magnetico dei neutroni non è zero.

Nella composizione del neutrone, la cui definizione è stata data sopra, ciascun quark è collegato al resto con l'aiuto di un campo gluonico. Gluon è la particella responsabile della formazione delle forze nucleari.

Oltre alla massa in chilogrammi e unità di massa atomica, nella fisica nucleare, la massa delle particelle è anche descritta in GeV (giga-electronvolts). Ciò è diventato possibile dopo che Einstein ha scoperto la sua famosa equazione E = mc ² , che collega l'energia alla massa. Cos'è un neutrone in GeV? Questo è il valore di 0.0009396, che è leggermente più grande del protone (0.0009383).

Stabilità del neutrone e dei nuclei atomici

La presenza di neutroni nei nuclei atomici è molto importante per la loro stabilità e la possibilità dell'esistenza della struttura atomica stessa e della sostanza nel suo complesso. Il fatto è che i protoni, che costituiscono anche il nucleo atomico, hanno una carica positiva. E avvicinarli a brevi distanze richiede enormi energie a causa della repulsione elettrica di Coulomb. Le forze nucleari che agiscono tra neutroni e protoni sono 2-3 ordini di grandezza più forti di quelle di Coulomb. Pertanto, sono in grado di mantenere le particelle caricate positivamente a distanze ravvicinate. Le interazioni nucleari sono a corto raggio e si manifestano solo all'interno delle dimensioni del nucleo.

La formula dei neutroni viene utilizzata per trovare il loro numero nel nucleo. Assomiglia a questo: numero di neutroni = massa atomica dell'elemento - numero atomico nella tavola periodica.

Il neutrone libero è una particella instabile. Il tempo medio della sua vita è di 15 minuti, dopo di che si disintegra in tre particelle:

• elettrone;
• protone;
• antineutrino.

Prerequisiti per la scoperta di un neutrone

L'esistenza teorica di un neutrone in fisica fu proposta già nel 1920 Ernest Rutherford chi ha provato in questo modo a spiegare perché i nuclei atomici non si disgregano a causa della repulsione elettromagnetica dei protoni.

Ancor prima, nel 1909 in Germania, Bothe e Becker scoprirono che se particelle alfa ad alta energia dal polonio irradiano elementi leggeri, come berillio, boro o litio, viene generata una radiazione che passa attraverso qualsiasi spessore di vari materiali. Lo hanno suggerito radiazione gamma, tuttavia, nessuna radiazione di questo tipo a quel tempo possedeva un potere penetrante così grande. Gli esperimenti di Bothe e Becker non sono stati interpretati correttamente.

Scoperta di neutroni

L'esistenza del neutrone fu scoperta dal fisico inglese James Chadwick nel 1932. Studiò le radiazioni radioattive del berillio, condusse una serie di esperimenti, ottenendo risultati che non coincidevano con quelli previsti dalle formule fisiche: l'energia delle radiazioni radioattive superava di gran lunga i valori teorici e veniva violata anche la legge di conservazione della quantità di moto. Pertanto, è stato necessario accettare una delle ipotesi:

1. O il momento angolare non è preservato durante i processi nucleari.
2. O la radiazione radioattiva è costituita da particelle.

Lo scienziato ha respinto la prima ipotesi perché contraddice le leggi fisiche fondamentali, quindi ha accettato la seconda ipotesi. Chadwick ha mostrato che le radiazioni nei suoi esperimenti sono formate da particelle con carica zero, che hanno un forte potere penetrante. Inoltre, è stato in grado di misurare la massa di queste particelle, trovando che è leggermente più grande di quella di un protone.

Neutroni lenti e veloci

A seconda dell'energia che ha il neutrone, è chiamato lento (circa 0,01 MeV) o veloce (circa 1 MeV). Una tale classificazione è importante perché alcune delle sue proprietà dipendono dalla velocità di un neutrone. In particolare, i neutroni veloci sono ben catturati dai nuclei, portando alla formazione dei loro isotopi e causando la loro fissione. I neutroni lenti vengono scarsamente catturati dai nuclei di quasi tutti i materiali, quindi possono facilmente passare attraverso strati di materia spessi.

Il ruolo del neutrone nella fissione dell'uranio

Se ti chiedi che cos'è un neutrone nel nucleare, allora è sicuro dire che è un mezzo per indurre il processo di fissione di un nucleo di uranio, accompagnato dal rilascio di alta energia. Durante questa reazione di fissione, vengono generati anche neutroni di diverse velocità. A loro volta, i neutroni prodotti inducono il decadimento di altri nuclei di uranio e la reazione procede a catena.

Se la reazione di fissione dell'uranio è incontrollata, causerà un'esplosione del volume di reazione. Questo effetto è usato in bombe nucleari. La reazione di fissione controllata dell'uranio è la fonte di energia nelle centrali nucleari.