Rieth József: Anyagvilág - Háttérinformáció

Neutron

 

Tartalomjegyzékhez < Világképem <    (Kvark-időszak, Hadron-időszak, Lepton-időszak)     

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

 

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, 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:

              {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).

 

Tulajdonságai

 

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 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

 

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

 

1. Energiatermelés

Az ben 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.

 

2. Izotópgyártás

A neutronok képesek behatolni az atommagok belsejébe, és ott elnyelődni. Ilyen módon sokféle izotóp előállítható, ezek közül sok radioaktív, melyeket felhasználhatunk az orvosi diagnosztikában, az orvosi (sugár)terápiákban vagy anyagvizsgálati célra.

 

3. Anyagvizsgálat

A neutronok, mivel az anyag mélyébe képesek hatolni (hasonlóan a röntgensugarakhoz) alkalmasak 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 teszünk, a szórás eloszlásából következtethetünk a minta tulajdonságaira, például a benne lévő mikro- vagy akár nanorepedésekre. Erre általában atomreaktoros neutronforrást használnak, újabban spallációs forrást.

 

4. Neutron-aktivációs analízis (NAA)

Anyagösszetételt vizsgáló módszer, melynek során az (ismeretlen összetételű) mintát neutronokkal rövid ideig besugározzuk, aminek hatására benne az atommagok egy része radioaktív izotóppá alakul, „aktiválódik”. A különféle kezdeti magok a neutron besugárzás miatt különféle, rájuk jellemző sugárzásokat bocsátanak ki. Ezután radioaktív detektorokkal vizsgáljuk a minta sugárzását, melyből következtethetünk a minta eredeti összetételére. Erre az atomreaktornál kisebb neutronhozamú (akár hordozható) neutrongenerátorok is alkalmasak.

 

5. Drágakövek besugárzása

Bizonyos drágakövek (például a topáz) színárnyalatai megváltoznak neutronbesugárzás hatására. Ettől szerencsés esetben szebb, így értékesebb lesz a kő. A szükséges nagy neutronfluxus miatt atomreaktorokban végzik.

 

Tartalomjegyzékhez < Világképem <  Kvark-időszak     

-------------------------------

http://hu.wikipedia.org/wiki/Neutron