Neutron
| A neutron adatai (CODATA szerint) | |
|---|---|
| Elektromos töltés |
0 C (semleges) |
| Nyugalmi tömeg |
1,008 664 915 78(55) u = |
| Nyugalmi energia | |
| Mágneses momentum | -0,966 236 40(23)⋅10−26 J T−1 |
| Spin | 1/2 (fermion) |
| Izospin | 1/2 (fermion) |
| Kvarkszerkezet | UDD (barion) |
| Élettartam szabad neutronként | ~886 s = ~15 perc |
A neutron az atommag egyik összetevője, ezért a protonnal együtt nukleonnak nevezzük. Jele: n°. A neve a latin neutral (semleges) szóból ered amihez egy görög -on végződést kapcsoltak.
Tartalomjegyzék |
Felfedezése [szerkesztés]
1930-ban Walther Bothe és H. Becker (Németország) azt találták, hogy ha nagy energiájú alfa-részecskékkel bizonyos könnyű elemeket (berillium, bór, lítium) bombáznak, akkor egy rendkívüli áthatolóképességű sugárzás keletkezik. Először ezt röntgen-sugárzásnak gondolták, bár annál is nagyobb volt az áthatolóképessége, és az eredményeket nagyon nehéz volt ily módon értelmezni.
A következő eredményt 1932-ben Irène Joliot-Curie és Frédéric Joliot-Curie publikálták. Ha a kijövő sugárzást paraffinra, vagy más hidrogéntartalmú anyagra bocsátották, akkor abból nagy energiájú protonok lökődtek ki. Ezt még nehezebb volt röntgen-sugárzással magyarázni.
A neutront végül James Chadwick fedezte fel, aki ezért Nobel-díjat kapott. Sokféle kísérletet végzett arra, hogy kizárja a röntgensugárzási elméletet. Azt feltételezte, hogy egy protonnal nagyjából egyező tömegű semleges részecske lökődik ki. Ezt a feltételezését több kísérlet elvégzésével igazolta is. A részecskét semleges volta miatt nevezték el neutronnak. (neutral=semleges)
Chadwick egyik kísérlete: alfa-részecskével (hélium-atommag) bombázott berilliumot, miközben neutron megjelenését tapasztalta:
A felső indexben levő szám a tömegszámot (protonszám + neutronszám), az alsó a rendszámot (protonok száma) jelöli. A neutronok számát tehát a kettő különbsége adja.
Tulajdonságai [szerkesztés]
Az atommagon kívüli, szabad neutron nem stabil, átlagos élettartama 885,7±0,8 s (majd 15 perc). Elbomlik protonra, elektronra és anti-elektronneutrínóra:
Bomlását a gyenge kölcsönhatás okozza. A kvarkszintű részletezést az ábra tartalmazza.
Sokféle atommag képes elnyelni (abszorbeálni) neutront, mivel semlegessége miatt az atommag nem taszítja el magától, ezért képes a belsejébe hatolni. A keletkező izotópok gyakran radioaktívak. A különféle neutronszám miatt a periódusos rendszer 108 eleme több, mint 5000 izotópot hoz létre, nagy részük rövid élettartamú.
A neutronban a 3 kvarkot az erős kölcsönhatás, és annak közvetítő részecskéje a gluon (angolul enyv, ragasztó) tartja össze. Az atommagban a protonok és neutronok (közös nevük: nukleonok - magalkotók) közötti kölcsönhatás a magerő, mely a kvarkok közötti erős kölcsönhatás gyengébb maradványa. Egy nukleon az atommagjában néhány MeV kötési energiával kapcsolódik a többi nukleonhoz, míg egy külső elektron az atomjához, molekulájához csak néhány eV-tal. Ezért az atomerőműben és az atombombában a neutronok által kiváltott magreakciók sokszorosan nagyobb (tömegegységre vetítve pár milliószor nagyobb) energiát szabadítanak fel, mint az elektronok átrendeződésével járó kémiai reakciók (például égés).
A neutron semlegességének következménye, hogy könnyen áthatol a legtöbb anyagon, mivel elektromágneses kölcsönhatást nem létesít az anyaggal. Ezért a neutronsugárzás árnyékolására nem alkalmas a radioaktív alfa-, béta- és gamma- (ill. röntgen-) sugarakat hatékonyan elnyelő ólomlemez, még vastagon sem. Az árnyékoláshoz először a neutronokat lelassítják, majd a lassú neutronokat elnyeletik. A lassítás azon alapul, hogy egy ütközéskor az átadott energia annál nagyobb, minél inkább azonos a két ütköző test tömege. A neutron emiatt az elektronokkal ütközve érdemben nem is tudna energiát leadni, mivel tömege annál 1840-szer nagyobb. Az atommagok közül viszont a kis magok tömege hasonló az ő tömegéhez. A közönséges hidrogén magja (egyetlen proton) tömege szinte teljesen azonos a neutronéval, ezért leginkább ezzel lehet ütközések révén lelassítani. Ehhez sok hidrogént tartalmazó anyagokat használnak: víz, paraffin, beton. Az elnyeletésre pedig olyan anyagokat, melyek nagy valószínűséggel nyelik el a neutront: kadmium, bór. A kadmiumban leginkább a 113-as tömegszámú izotóp nyeli a neutronokat, mely az összes kadmiumnak csak 12%-a. Ezért a kadmium neutronabszorpciós hatáskeresztmetszete 2400 barn, bár a 113-as izotópjáé 25 000 barn. Fém kadmiumból készített rudak, lemezek formájában használják neutronelnyeletésre. A bórban a 10-es tömegszámú izotóp nyeli erősen a neutronokat, mely az összes bór 19%-a. A bór neutronabszorpciós hatáskeresztmetszete termikus neutronokra 3000 barn. Vészleállításhoz bórsav vizes oldata formájában, kontrollrúd gyanánt pedig bóracél rudak (bór-karbid) formájában használják neutronelnyeletésre. A bóron és kadmiumon kívül sok anyag nyeli a neutront kisebb-nagyobb valószínűséggel. Az atomerőművekben működés közben sok neutront nyel el (a 235-ös urán hasadásakor keletkező) sokféle xenonizotóp közül a 135-ös tömegszámú, melynek már 3 000 000 barn a hatáskeresztmetszete. Ezt reaktorméregnek is nevezik, keletkezése elkerülhetetlen, és a reaktorfizikában igen nagy jelentőségű xenonlengés-t okozza (sok más mellett ennek, az akkor már rég ismert effektusnak a figyelembe nem vétele is szerepet játszott a csernobili katasztrófában).
Egy atommagban a Pauli-elv szerint nem lehet se túl kevés, se túl sok neutron adott mennyiségű proton mellett. Ez a magyarázata, hogy a több mint 5000 izotóp nagy része instabil, spontán elbomlik. Viszont extrém körülmények között sok neutron is összeállhat, ez a neutroncsillag. De ez, bár a tömegsűrűsége hasonló az atommagokéhoz, mégsem tekinthető egy óriás atommagnak, amelyik csak neutronokból áll, mivel az atommagokban a nukleonokat a magerő tartja egyben, a neutroncsillagban viszont a gravitáció.
Antineutron [szerkesztés]
Az antineutron a neutron ellen- vagy antirészecskéje. Bruce Cork fedezte fel 1956-ban, egy évvel az antiproton felfedezése után. Tömege megegyezik a neutronéval és töltéssel szintén nem rendelkezik. A különbség, hogy antikvarkokból épül fel, két anti-d kvarkból és egy anti-u kvarkból.
Alkalmazások [szerkesztés]
A neutron alkalmazási lehetőségeit tekintve felhasználható energiatermelésre, izotópgyártásra, anyagvizsgálat során, neutron-aktivációs analízisre és drágakövek besugárzására.
- Energiatermeléskor az atomerőműben a 235-ös Urán izotópok neutronok hatására hasadnak szét, felszabadítva nagy mennyiségű energiát. A folyamatos működést az teszi lehetővé, hogy hasadáskor 2 vagy 3 neutron is keletkezik (átlagosan 2,4). Ezek újabb hasadásokat tudnak előidézni. Az atomerőműben a teljesítményt úgy növelik, hogy több neutront hagynak meg a láncreakcióhoz (csökkentik a neutronok elnyeletését a kadmiumrudak kihúzásával). A teljesítményt pedig úgy csökkentik, hogy elvonnak neutronokat a láncreakcióból (a rudak betolásával). Veszélyhelyzetben a rudakat teljesen betolják, továbbá a hűtővízrendszert bórsavoldattal árasztják el (a bór szintén jó neutronelnyelő), ezzel kivonva a neutronokat, és leállítva a láncreakciót.
- Az izotópgyártás során az hasznosítják, hogy a neutronok képesek behatolni az atommagok belsejébe, és ott elnyelődni. Ilyen módon sokféle izotóp előállítható, ezek közül sok radioaktív, melyek felhasználhatóak az orvosi diagnosztikában, az orvosi (sugár)terápiákban vagy anyagvizsgálati célra is.
- Az anyagvizsgálathoz azért használható, mert a neutron képes az anyag mélyébe hatolni (hasonlóan a röntgensugarakhoz) így alkalmas egy tárgy belsejének vizsgálatára annak szétdarabolása nélkül (roncsolásmentes vizsgálat). A behatoló neutronok szóródnak a különféle atommagokon, méghozzá a magra jellemző módon. Ha a minta mögé neutronra érzékeny detektorokat helyeznek, akkor a szórás eloszlásából lehet következtetni a minta tulajdonságaira, például a benne lévő mikro- vagy akár nanorepedésekre. Erre általában atomreaktoros neutronforrást használnak, újabban spallációs forrást.
- A neutron-aktivációs analízis (NAA) az anyagösszetételt vizsgáló módszer, melynek során az (ismeretlen összetételű) mintát neutronokkal rövid ideig besugározzák, aminek hatására benne az atommagok egy része radioaktív izotóppá alakul, „aktiválódik”. A különböző kezdeti magok a neutron besugárzás miatt különféle, rájuk jellemző sugárzásokat bocsátanak ki. Ezután sugárzás detektorokkal vizsgálják a minta sugárzását, melyből lehet következtetni a minta eredeti összetételére. Erre az atomreaktornál kisebb neutronhozamú (akár hordozható) neutrongenerátorok is alkalmasak.
- Neutronbesugárzás hatására bizonyos drágakövek (például a topáz) színárnyalatai megváltoznak. Ettől szerencsés esetben szebb, így értékesebb lesz a kő. A szükséges nagy neutronfluxus miatt ezt a folyamatot atomreaktorokban végzik.
Források [szerkesztés]
Lábjegyzetek [szerkesztés]
