Neutron

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
A neutron adatai (CODATA szerint)
Elektromos töltés

0 C (semleges)

Nyugalmi tömeg

1,008 664 915 78(55) u =
1,674 927 16(13)⋅10−27 kg =
1838,683 6550(40) × me

Nyugalmi energia

939,565 330(38) MeV =
1,505 349 46(12)⋅10−10 J

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.

Felfedezése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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 neutron kvarkszerkezete

A neutront végül James Chadwick fedezte fel 1932-ben, és ezért 1935-ben 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:

{4 \atop 2}\mathrm{He}+{9 \atop 4}\mathrm{Be}\quad\rightarrow\quad{12 \atop 6}\mathrm{C}+{1 \atop 0}\mathrm{n} \quad +5,76\mathrm{MeV}

A felső indexben levő szám a tömegszámot (protonszám + neutronszám), az alsó a rendszámot (protonok száma) jelöli. A neutronok számát tehát a kettő különbsége adja.

A neutron bomlása protonra (Feynman-gráf). Bővebb magyarázat a kép oldalán

Tulajdonságai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az atommagon kívüli, szabad neutron nem stabil, átlagos élettartama 885,7±0,8 s (majd 15 perc). Elbomlik protonra, elektronra és anti-elektronneutrínóra:

\mathrm{n}\rightarrow\mathrm{p}+\mathrm{e}^-+\bar{\nu}_e + 0,78\,\mathrm{MeV}

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 ötezer 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 | forrásszöveg szerkesztése]

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 | forrásszöveg szerkesztése]

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 | forrásszöveg szerkesztése]

Commons
A Wikimédia Commons tartalmaz Neutron témájú médiaállományokat.
  • Dávid Gyula: Az atommag kulcsa - avagy az atombombától a neutroncsillagig. Lejátszás, Vetítés.

Lábjegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]