No Image

Что больше протон или нейтрон

СОДЕРЖАНИЕ
5 просмотров
12 марта 2020
Нейтрон ( n , n 0 <displaystyle n,n^<0>> )
Семья фермион
Группа адрон, барион, N-барион, нуклон
Участвует во взаимодействиях Сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное
Античастица антинейтрон ( n ¯ , n ¯ 0 ) <displaystyle (<ar >,<ar >^<0>)>
Масса 939,565 420 52(54) МэВ [1] , 1,674 927 498 04(95)⋅10 −27 кг [2] , 1,008 664 915 95(49) а. е. м. [3]
Время жизни 880,0 ± 0,9 c [4]
В честь кого или чего названа От лат. корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он)
Квантовые числа
Электрический заряд
Барионное число 1
Спин 1/2 ħ
Магнитный момент −1,913 042 73(45) ядерного магнетона [5] , или −9,662 365 1(23)×10 −27 Дж/Тл [6]
Внутренняя чётность 1
Изотопический спин −1/2
Странность
Очарование
Другие свойства
Кварковый состав udd
Схема распада p + + e − + ν ¯ e <displaystyle p^<+>+e^<->+<ar <
u >>_> (99,7%);
p + + e − + ν ¯ e + γ <displaystyle p^<+>+e^<->+<ar <
u >>_
+gamma > (0,309%)
Теоретически обоснована В 1930 году В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко; в 1930 году Вальтер Боте и его студент Герберт Беккер, работавшие в Германии
Обнаружена 27 февраля 1932, Джеймс Чедвик
Медиафайлы на Викискладе

Нейтро́н (от лат. neuter — ни тот, ни другой) — тяжёлая элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. Нейтроны и протоны являются двумя главными компонентами атомных ядер [7] ; общее название для протонов и нейтронов — нуклоны.

Содержание

Открытие [ править | править код ]

Открытие нейтрона (27 февраля 1932) принадлежит физику Джеймсу Чедвику, который объяснил результаты опытов В. Боте и Г. Беккера (1930), в которых обнаружилось, что вылетающие при распаде полония α-частицы, воздействуя на лёгкие элементы, приводят к возникновению сильно проникающего излучения. Чедвик первый предположил, что новое проникающее излучение состоит из нейтронов, и определил их массу [8] [9] . За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

В 1930 году В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко показали, что атом не может, как считалось в то время, состоять только из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы [10] [11] .

В 1930 году Вальтер Боте и его студент Герберт Беккер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 году английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и провёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он). В том же 1932 году Д. Д. Иваненко [12] и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Основные характеристики [ править | править код ]

  • Масса (примерно на 0,1378 % больше, чем масса протона; приведены рекомендованные значения CODATA 2014 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение):
  • 939,565 420 52(54) МэВ [1] ;
  • 1,008 664 915 95(49) а. е. м.[3] ;
  • 1,674 927 498 04(95)⋅10 −27 кг [2] ;
  • 1 838,683 661 73(89) массы электрона[13] .
  • Электрический заряд: 0. Экспериментально измеренное значение совместимо с нулём: (−0,2 ± 0,8)⋅10 −21 элементарного электрического заряда[4] .
  • Спин: 1 2 (фермион). Спин свободного нейтрона измеряется методом когерентного отражения от магнитных зеркал [14] .
  • Время жизни в свободном состоянии: τ = 880,0 ± 0,9 секунды [4][15] (период полураспадаT1/2 = τ·ln 2 = 610,0 ± 0,6 секунды) [16] .
  • Магнитный момент: −1,913 042 73(45) ядерного магнетона[5] , или −9,662 365 1(23)×10 −27 Дж/Тл[6] . Магнитный момент нейтрона измеряется с помощью резонансного метода молекулярных пучков [14] .
  • Внутренняя чётность: равна 1 [17] .
  • Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном. Нейтрон аннигилирует с антинейтроном и другими антиадронами (в частности, с антипротоном).

    С нейтроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины:

    • комптоновская длина волны нейтрона λ K = 2 π ℏ m c ≈ 1 , 32 ⋅ 10 − 13 <displaystyle lambda _=<frac <2pi hbar >>approx 1<,>32cdot 10^<-13>>см;
    • расстояние от центра нейтрона до максимума плотности отрицательного электрического заряда (зарядовый радиус) R E ≈ 0 , 75 ⋅ 10 − 13 <displaystyle R_approx 0<,>75cdot 10^<-13>>см [18] ;
    • отношение электрического дипольного момента нейтрона к элементарному заряду | d n e | 2 , 9 ⋅ 10 − 26 <displaystyle left|<frac >>
      ight| см [4] ;
    • гравитационный радиус нейтрона R G = 2 G m c 2 ≈ 2 , 48 ⋅ 10 − 52 <displaystyle R_=<frac <2Gm><2>>>approx 2<,>48cdot 10^<-52>>см.
    Читайте также:  С чем сочетается желтый стена

    Строение и распад [ править | править код ]

    Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Близость значений масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.

    Поскольку нейтрон тяжелее протона (на 1,293 332 36(46) МэВ [19] , или 0,001 388 449 33(49) а.е.м. [20] ), то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант [21] ). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни, приблизительно равное 15 минутам , это примерно в миллиард раз больше времени жизни мюона — следующей за нейтроном метастабильной частицы по времени жизни.

    Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном, составляющая около 1,3 МэВ , невелика по меркам ядерной физики. Вследствие этого в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным. Более того, в нейтроно-дефицитных ядрах происходит бета-распад протона в нейтрон (с захватом орбитального электрона или вылетом позитрона); этот процесс энергетически запрещён для свободного протона.

    На кварковом уровне бета-распад нейтрона может быть описан как превращение одного из d-кварков в u-кварк с испусканием виртуального W − -бозона, который немедленно распадается на электрон и электронное антинейтрино.

    Изучение распада свободного нейтрона важно для уточнения свойств слабого взаимодействия, а также поиска нарушений временно́й инвариантности, нейтрон-антинейтронных осцилляций и т. п.

    Внутренняя структура нейтрона впервые была экспериментально исследована Р. Хофштадтером путём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий ( 2 ГэВ ) с нейтронами, входящими в состав дейтрона (Нобелевская премия по физике 1961 г.) [22] . Нейтрон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом ≈ 0,25·10 −13 см , с высокой плотностью массы и заряда, которая имеет общий заряд ≈ +0,35 e , и окружающей его относительно разреженной оболочки («мезонной шубы»). На расстоянии от ≈ 0,25·10 −13 до ≈ 1,4·10 −13 см эта оболочка состоит в основном из виртуальных ρ — и π -мезонов и обладает общим зарядом ≈ −0,50 e . Дальше расстояния ≈ 2,5·10 −13 см от центра простирается оболочка из виртуальных ω — и π -мезонов, несущих суммарный заряд около +0,15 e [23] [18] .

    Иные свойства [ править | править код ]

    Изоспины нейтрона и протона одинаковы ( 1 2 ), но их проекции противоположны по знаку. Проекция изоспина нейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной − 1 2 , в ядерной физике + 1 2 (поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).

    Нейтрон и протон вместе с Λ , Σ , Ξ <displaystyle Lambda ,Sigma ,Xi > — барионами входят в состав октета барионов со спином 1 2 <displaystyle < frac <1><2>>> и барионным зарядом 1 <displaystyle 1> . [24]

    Нейтрон — единственная из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой непосредственно наблюдалось гравитационное взаимодействие — искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка ультрахолодных нейтронов. Измеренное гравитационное ускорение нейтронов в пределах точности эксперимента совпадает с гравитационным ускорением макроскопических тел. [25]

    При огромном давлении внутри нейтронной звезды нейтроны могут деформироваться вплоть до того, что приобретают форму куба [26] .

    Направления исследований в физике нейтронов [ править | править код ]

    • возможность существования тетранейтронов и иных связанных состояний из одних только нейтронов
    • поиск возможных нейтрон-антинейтронных осцилляций
    • поиск электрического дипольного момента нейтрона. Электрический дипольный момент нейтрона был бы точно равен нулю, если бы имела место инвариантность всех взаимодействий, в которых участвует нейтрон, относительно операции отражения времени. Слабые взаимодействия неинвариантны относительно операции отражения времени. Вследствие этого нейтрон должен был бы обладать электрическим дипольным моментом. Причина отсутствия электрического дипольного момента у нейтрона неизвестна. [27]
    • изучение свойств сильно нейтроно-избыточных лёгких ядер
    • получение и хранение холодных нейтронов
    • влияние потоков нейтронов на живые ткани и организмы
    • влияние сверхмощных потоков нейтронов на свойства материалов
    • изучение распространения нейтронов в различных средах
    • изучение различных типов структуры в физике конденсированных сред
    • нейтронно-дифракционный анализ
    • нейтронно-активационный анализ

    Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

    В 1930 г. В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко показали, что ядро не может, как считалось в то время, состоять из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы. [3] [4]

    В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 году английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он). В том же 1932 г. Д. Д. Иваненко [5] и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

    Читайте также:  Замариновать крылышки в соевом соусе с медом

    Основные характеристики

    • Масса (примерно на 0,1378 % больше, чем масса протона; приведены рекомендованные значения CODATA 2010 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение):
    • 939,565378(21) МэВ; [6]
    • 1,00866491600(43) а. е. м.; [7]
    • 1,674927351(74)·10 −27 кг; [8]
    • 1838,6836601(16) массы электрона[9] .
  • Спин: 1/2 (фермион).
  • Время жизни в свободном состоянии: 880.1 ± 1.1 секунды [2] (период полураспада — 611 секунд).
  • Магнитный момент: −1,91304272(45) ядерного магнетона. [10]
  • Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном.

    Строение и распад

    Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Близость значений масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.

    Поскольку нейтрон тяжелее протона, то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако, ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни, приблизительно равное 15 минутам, примерно в миллиард раз больше времени жизни мюона — следующей за нейтроном метастабильной частице по времени жизни.

    Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном около 1,3 МэВ невелика по меркам ядерной физики. В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным. Более того, в нейтроно-дефицитных ядрах происходит распад протона в нейтрон (с захватом орбитального электрона или вылетом позитрона).

    Другие свойства

    Изоспины нейтрона и протона одинаковы (1/2), но их проекции противоположны по знаку. Проекция изоспина нейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной −1/2, в ядерной физике +1/2 (поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).

    Нейтрон — единственная [источник не указан 574 дня] из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой непосредственно наблюдалось гравитационное взаимодействие — искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка холодных нейтронов. Измеренное гравитационное ускорение нейтронов в пределах точности эксперимента совпадает с гравитационным ускорением макроскопических тел.

    При огромном давлении внутри нейтронной звезды нейтроны могут деформироваться вплоть до того, что приобретают форму куба [11] .

    Направления исследований в физике нейтронов

    • возможность существования тетранейтронов и иных связанных состояний из одних только нейтронов
    • поиск возможных нейтрон-антинейтронных осцилляций
    • поиск электрического дипольного момента нейтрона
    • изучение свойств сильно нейтроно-избыточных лёгких ядер
    • получение и хранение холодных нейтронов
    • влияние потоков нейтронов на живые ткани и организмы
    • влияние сверхмощных потоков нейтронов на свойства материалов
    • изучение распространения нейтронов в различных средах
    • изучение различных типов структуры в физике конденсированных сред
    • нейтронно-дифракционный анализ
    • нейтронно-активационный анализ

    Что такое нейтрон? Каковы его структура, свойства и функции? Нейтроны — это самые большие из частиц, составляющих атомы, являющиеся строительными блоками всей материи.

    Структура атома

    Нейтроны находятся в ядре — плотной области атома, также заполненной протонами (положительно заряженными частицами). Эти два элемента удерживаются вместе при помощи силы, называем ядерной. Нейтроны имеют нейтральный заряд. Положительный заряд протона сопоставляется с отрицательным зарядом электрона для создания нейтрального атома. Несмотря на то что нейтроны в ядре не влияют на заряд атома, они все же обладают многими свойствами, которые влияют на атом, включая уровень радиоактивности.

    Читайте также:  Стационарный телефон своими руками

    Нейтроны, изотопы и радиоактивность

    Частица, которая находится в ядре атома — нейтрон на 0,2% больше протона. Вместе они составляют 99,99% всей массы атома. Атомы одного и того же элемента могут иметь различное количество нейтронов. Когда ученые ссылаются на атомную массу, они имеют в виду среднюю атомную массу. Например, углерод обычно имеет 6 нейтронов и 6 протонов с атомной массой 12, но иногда он встречается с атомной массой 13 (6 протонов и 7 нейтронов). Углерод с атомным номером 14 также существует, но встречается редко. Итак, атомная масса для углерода усредняется до 12,011.

    Когда атомы имеют различное количество нейтронов, их называют изотопами. Ученые нашли способы добавления этих частиц в ядро ​​для создания больших изотопов. Теперь добавление нейтронов не влияет на заряд атома, так как они не имеют заряда. Однако они увеличивают радиоактивность атома. Это может привести к очень неустойчивым атомам, которые могут разряжать высокие уровни энергии.

    Что такое ядро?

    В химии ядро ​​является положительно заряженным центром атома, который состоит из протонов и нейтронов. Слово «ядро» происходит от латинского nucleus, которое является формой слова, означающего "орех" или "ядро". Этот термин был придуман в 1844 году Майклом Фарадеем для описания центра атома. Науки, участвующие в исследовании ядра, изучении его состава и характеристик, называются ядерной физикой и ядерной химией.

    Протоны и нейтроны удерживаются сильной ядерной силой. Электроны притягиваются к ядру, но двигаются так быстро, что их вращение осуществляется на некотором расстоянии от центра атома. Заряд ядра со знаком плюс исходит от протонов, а что такое нейтрон? Это частица, которая не имеет электрического заряда. Почти весь вес атома содержится в ядре, так как протоны и нейтроны имеют гораздо большую массу, чем электроны. Число протонов в атомном ядре определяет его идентичность как атома определенного элемента. Число нейтронов означает, какой изотоп элемента является атомом.

    Размер атомного ядра

    Ядро намного меньше общего диаметра атома, потому что электроны могут быть отдалены от центра. Атом водорода в 145 000 раз больше своего ядра, а атом урана в 23 000 раз больше своего центра. Ядро водорода является наименьшим, потому что оно состоит из одиночного протона.

    Расположение протонов и нейтронов в ядре

    Протон и нейтроны обычно изображаются как уплотненные вместе и равномерно распределенные по сферам. Однако это упрощение фактической структуры. Каждый нуклон (протон или нейтрон) может занимать определенный уровень энергии и диапазон местоположений. В то время как ядро ​​может быть сферическим, оно может быть также грушевидным, шаровидным или дисковидным.

    Ядра протонов и нейтронов представляют собой барионы, состоящие из наименьших субатомных частиц, называемых кварками. Сила притяжения имеет очень короткий диапазон, поэтому протоны и нейтроны должны быть очень близки друг к другу, чтобы быть связанными. Это сильное притяжение преодолевает естественное отталкивание заряженных протонов.

    Протон, нейтрон и электрон

    Мощным толчком в развитии такой науки, как ядерная физика, стало открытие нейтрона (1932 год). Благодарить за это следует английского физика Д. Чедвика, который был учеником Резерфорда. Что такое нейтрон? Это нестабильная частица, которая в свободном состоянии всего за 15 минут способна распадаться на протон, электрон и нейтрино, так называемую безмассовую нейтральную частицу.

    Частица получила свое название из-за того, что она не имеет электрического заряда, она нейтральна. Нейтроны являются чрезвычайно плотными. В изолированном состоянии один нейтрон будет иметь массу всего 1,67·10 — 27 , а если взять чайную ложку плотно упакованную нейтронами, то получившийся кусок материи будет весить миллионы тонн.

    Количество протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свою уникальную идентичность. В атомах некоторых элементов, например углерода, число протонов в ядрах всегда одинаково, но количество нейтронов может различаться. Атом данного элемента с определенным количеством нейтронов в ядре называется изотопом.

    Опасны ли одиночные нейтроны?

    Что такое нейтрон? Это частица, которая наряду с протоном входит в состав ядра атома. Однако иногда они могут существовать сами по себе. Когда нейтроны находятся вне ядер атомов, они приобретают потенциально опасные свойства. Когда они двигаются с высокой скоростью, они производят смертельную радиацию. Так называемые нейтронные бомбы, известные своей способностью убивать людей и животных, при этом оказывают минимальное влияние на неживые физические структуры.

    Нейтроны являются очень важной частью атома. Высокая плотность этих частиц в сочетании с их скоростью придает им чрезвычайную разрушительную силу и энергию. Как следствие, они могут изменить или даже разорвать на части ядра атомов, которые поражают. Хотя нейтрон имеет чистый нейтральный электрический заряд, он состоит из заряженных компонентов, которые отменяют друг друга относительно заряда.

    Нейтрон в атоме — это крошечная частица. Как и протоны, они слишком малы, чтобы увидеть их даже с помощью электронного микроскопа, но они там есть, потому что это единственный способ, объясняющий поведение атомов. Нейтроны очень важны для обеспечения стабильности атома, однако за пределами его атомного центра они не могут существовать долго и распадаются в среднем всего лишь за 885 секунд (около 15 минут).

    Комментировать
    5 просмотров
    Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

    Это интересно
    No Image Строительство
    0 комментариев
    No Image Строительство
    0 комментариев
    No Image Строительство
    0 комментариев
    No Image Строительство
    0 комментариев
    Adblock detector