Сегодня мы поговорим о тяжёлой элементарной частице под названием нейтрон.
«Внутри» нейтрон очень похож на протон. Который состоит из трёх кварков. Нейтрон имеет почти такую же структуру. Он тоже состоит из трех кварков. Но есть нюанс. Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка. А нейтрон из одного верхнего и двух нижних.
Эта разница, казалось бы, незначительна. Но она приводит к тому, что две «похожие» частицы имеют разные свойства. Заряд протона +2/3 +2/3 -1/3 = +1. Нейтрона +2/3 -1/3 -1/3 = 0. Поэтому у нейтрона нет заряда. Но не потому, что в нем нет ничего заряженного. А потому, что заряды внутри него в сумме равны нулю.
Эта нейтральность заряда сыграла большую роль в судьбе нейтрона. Поскольку потребовалось почти полтора десятка лет времени для его открытия после открытия протона в 1918 году Резерфордом.
Кто открыл нейтрон?
В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик идентифицировал неизвестные частицы. Которые до этого уже наблюдались другими исследователями, такими как Вальтер Боте, Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио. Чедвик описал эти частицы как что-то вроде протонов с нейтральным зарядом (кстати неплохое описание). И поэтому их назвали нейтронами.
На нейтроны действуют все четыре фундаментальные силы Вселенной, как и на протоны. И несмотря на то, что они не имеют суммарно никакого заряда, нейтроны обладают тем же магнитным моментом, что и протоны.
Наиболее важной силой для нейтронов является сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает вместе кварки внутри них и связывает нейтроны с другими нейтронами и с протонами в ядрах атомов. Поскольку протоны и нейтроны формируют ядра, два «сестринские» частицы называются нуклонами.
Нейтрон, не имея заряда, не превращает один элемент в другой. Добавление нейтрона к водороду не делает из него что-то иное. Это всё равно будет водород, даже если он будет иметь несколько иные свойства. Станет, например, тяжелее. Атомы элемента с разным числом нейтронов называются изотопами. Некоторые изотопы нестабильны. К таким относится, например, углерод-14, который используется для определения возраста каких-то древних материалов.
15 минут славы
Но есть еще одно отличие протона от нейтрона. Комбинация кварков, которая образует адрон, имеет очень большое значение для его стабильности. Свободный протон может конечно, в теории, быть нестабильным. Однако если он нестабилен, его период полураспада, вероятно, намного превышает текущий возраст Вселенной.
Однако комбинация кварков, составляющих нейтрон, работает по-другому: свободный нейтрон (не связанный с ядром атома) имеет гораздо меньшее время жизни: около 15 минут. Вот почему во Вселенной можно найти много свободных протонов (ядер водорода без электрона), но очень трудно увидеть свободные нейтроны. Когда нейтрон распадается, он распадается на протон, электрон и антинейтрино.
Поскольку свободный нейтрон остаётся свободным всего четверть часа, их постоянно нужно генерировать в случае необходимости. Большинство нейтронов получают в результате спонтанных ядерных реакций радиоактивных элементов, которые делятся естественным образом (таких как полоний или радий). В ходе радиоактивного распада они испускают нейтроны.
Свободные нейтроны очень опасны! На самом деле это один из самых опасных продуктов радиоактивного распада. Потому что другие частицы, испускаемые в ходе ядерных реакций, такие как электроны, хотя тоже опасны, их можно легко остановить. Заряженные частицы при соприкосновении с более или менее плотной материальной средой начинают отклоняться (за счёт электрической силы), ионизировать атомы за счёт удаления электронов, забирающих часть энергии и движущихся в другом направлении, и т. д. То есть энергия этих частиц рассеивается относительно быстро.
Толщина защиты имеет значение
Поэтому, если Вы собираетесь находиться в месте, где возможно испускание протонов или электронов, свинцовое покрытие окажется для Вас очень хорошей защитой. На самом деле, будучи металлом, свинец также очень хорошо поглощает фотоны, поэтому защищает от многих видов радиоактивного излучения (альфа, бета и гамма) одновременно. Но как насчёт нейтронов?
Будучи нейтральными, нейтроны могут потерять свою энергию только при лобовом столкновении с ядром атома. Поэтому для защиты от нейтронов требуется относительно большая толщина материала. И кроме того атомная масса ядер атомов не оказывает большого влияния на их способность останавливать нейтроны, так как ядра настолько малы по сравнению с пространством между ними, что увеличение их размера (например, свинец вместо водорода) не имеет большого значения. Большинство нейтронных экранов представляют собой толстые стены из цемента или парафина.
Конечно, большая часть нейтронов, которые могут достичь Вашего тела, просто беспрепятственно пролетят сквозь Вас. Однако не все. И когда нейтрон попадёт в ядро атома азотистого основания в Вашей ДНК… последствия могут быть очень неприятными. И если только доза будет не очень интенсивная и кратковременная, то в этом случае Вам очень и очень повезло.
Нейтроны представляют собой серые невзрачные частицы, когда они находятся в ядре атома. Но если они свободны, то имеют относительно короткую жизнь и могут быть очень опасны.
И лишь только потому, что у него «внутри» два нижних кварка.
Всем добра!
________________________________________________________________________________
Дорогой друг! Если Вы хотите поблагодарить авторов, проявляйте активность! Подписка, репост, лайк, комментарий – всё это очень просто на самом деле! И абсолютно бесплатно, кстати. Огромное спасибо!
Вам могут понравиться эти подборки:
Приключения американцев на Луне