Neutron
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Im Physik , das Neutron ist ein subatomares Teilchen ohne Netz elektrische Ladung und einer Masse von 939,573 MeV/ c ² (1,6749 × 10 -27 kg, etwas mehr als a Proton ). Sein Spin ist ½. Sein Antiteilchen heißt Antineutron . Das Neutron ist zusammen mit dem Proton ein Nukleon.
Der Kern der meisten Atome (alle außer dem häufigsten Isotop von Wasserstoff , Protium, das nur aus einem einzigen Proton besteht) besteht aus Protonen und Neutronen. Die Anzahl der Neutronen bestimmt das Isotop eines Elements. (Zum Beispiel hat das Kohlenstoff-12-Isotop 6 Protonen und 6 Neutronen, während das Kohlenstoff-14-Isotop 6 Protonen und 8 Neutronen hat.) Isotope sind Atome desselben Elements, die dieselbe Ordnungszahl, aber unterschiedliche Massen aufgrund einer anderen haben Zahl der Neutronen.
Ein Neutron wird als Baryon klassifiziert und besteht aus zwei Daunen Quarks und eins auf Quark .
Stabilität
Außerhalb des Kerns sind freie Neutronen instabil und haben eine mittlere Lebensdauer von 885,7 ± 0,8 Sekunden (etwa 15 Minuten) und zerfallen durch Emission von an Elektron und Antineutrino zu einem Proton:
Dieser als Beta-Zerfall bekannte Zerfallsmodus kann auch in bestimmten instabilen Kernen auftreten. Protonen können sich auch durch den Elektroneneinfang in Neutronen umwandeln, der manchmal als inverser Beta-Zerfall bezeichnet wird. Sowohl der Beta-Zerfall als auch der Elektroneneinfang sind Arten des radioaktiven Zerfalls.
Teilchen im Kern sind typischerweise Resonanzen zwischen Neutronen und Protonen, die sich durch Emission und Absorption von Pionen ineinander umwandeln.
Interaktionen
Das Neutron interagiert durch alle vier grundlegenden Wechselwirkungen: Elektromagnetismus, schwacher Kern, starker Kern und Gravitation Interaktionen.
Obwohl das Neutron eine Nettoladung von Null hat, kann es auf zwei Arten elektromagnetisch wechselwirken: Erstens hat das Neutron ein magnetisches Moment in der gleichen Größenordnung wie das Proton ; Zweitens besteht es aus elektrisch geladenen Stoffen Quarks . Somit ist die elektromagnetische Wechselwirkung für das Neutron in erster Linie bei tiefinelastischer Streuung und in magnetisch Interaktionen.
Das Neutron erfährt die schwache Wechselwirkung durch Beta-Zerfall in ein Proton, Elektron und Elektron Antineutrino. Er erfährt die Gravitationskraft wie jeder energetische Körper; Die Schwerkraft ist jedoch so schwach, dass sie in den meisten Teilchenphysik-Experimenten vernachlässigt werden kann.
Die wichtigste Kraft für Neutronen ist die starke Wechselwirkung. Diese Wechselwirkung ist für die Bindung der Drei des Neutrons verantwortlich Quarks (ein Up-Quark, zwei Down-Quarks) in ein einzelnes Teilchen. Die starke Restkraft ist auch für die Bindung von Kernen verantwortlich: die Kernkraft. Beim Durchgang von Neutronen durch Materie spielt die Kernkraft die Hauptrolle. Im Gegensatz zu geladenen Teilchen oder Photonen kann das Neutron keine Energie verlieren, indem es Atome ionisiert. Vielmehr geht das Neutron ungebremst weiter, bis es frontal mit einem Atomkern zusammenstößt. Aus diesem Grund ist Neutronenstrahlung extrem durchdringend und gefährlich.
Erkennung
Das übliche Mittel zur Erkennung von a berechnet Teilchen durch Suchen nach einer Ionisationsspur (wie in einer Nebelkammer) funktioniert für Neutronen nicht direkt. Neutronen, die elastisch an Atomen streuen, können eine nachweisbare Ionisationsspur erzeugen, aber die Experimente sind nicht so einfach durchzuführen; andere Mittel zum Nachweis von Neutronen, die darin bestehen, sie mit Atomkernen interagieren zu lassen, werden häufiger verwendet.
Ein gängiges Verfahren zum Nachweis von Neutronen beinhaltet die Umwandlung der aus solchen Reaktionen freigesetzten Energie in elektrische Signale. Die Nuklide 3 Er, 6 Dass, 10 B, 233 IN, 235 IN, 237 Np und 239 Pu sind für diesen Zweck nützlich. Eine gute Diskussion zum Neutronennachweis findet sich in Kapitel 14 des Buches Strahlungserkennung und -messung von Glenn F. Knoll (John Wiley & Sons, 1979).
Verwendet
Das Neutron spielt bei vielen Kernreaktionen eine wichtige Rolle. Beispielsweise führt das Einfangen von Neutronen häufig zu einer Neutronenaktivierung, die Radioaktivität induziert. Insbesondere die Kenntnis von Neutronen und ihrem Verhalten war wichtig bei der Entwicklung von Kernreaktoren und Atomwaffen .
Kalt , Thermal- und heiß Neutronenstrahlung wird üblicherweise in Neutronenstreuanlagen verwendet, wo die Strahlung in ähnlicher Weise verwendet wird, wie man Röntgenstrahlen für die Analyse von kondensierter Materie verwendet. Neutronen sind komplementär zu letzterem in Bezug auf atomare Kontraste durch unterschiedliche Streuquerschnitte; Empfindlichkeit gegenüber Magnetismus; Energiebereich für inelastische Neutronenspektroskopie; und tiefes Eindringen in die Materie.
Die Entwicklung von 'Neutronenlinsen', die auf interner Totalreflexion in hohlen Kapillarröhrchen aus Glas oder auf Reflexion an genoppten Aluminiumplatten basieren, hat die laufende Forschung in der Neutronenmikroskopie und der Neutronen-/Gammastrahlen-Tomographie vorangetrieben.
Eine Anwendung von Neutronenstrahlern ist der Nachweis von leichten Kernen, insbesondere des darin enthaltenen Wasserstoffs Wasser Moleküle. Wenn ein schnelles Neutron mit einem leichten Kern kollidiert, verliert es einen großen Teil seiner Energie. Durch Messung der Geschwindigkeit, mit der langsame Neutronen nach Reflexion an Wasserstoffkernen zur Sonde zurückkehren, kann eine Neutronensonde den Wassergehalt im Boden bestimmen.
Entdeckung
1930 traten Walther Bothe und H. Becker ein Deutschland festgestellt, dass wenn die sehr energiereichen Alphateilchen ausgestrahlt werden Polonium fiel insbesondere auf bestimmte Lichtelemente Beryllium , Bor , oder Lithium , wurde eine ungewöhnlich durchdringende Strahlung erzeugt. Zuerst wurde diese Strahlung für Gammastrahlung gehalten, obwohl sie durchdringender war als alle bekannten Gammastrahlen, und die Details der experimentellen Ergebnisse waren auf dieser Grundlage sehr schwer zu interpretieren. Der nächste wichtige Beitrag wurde 1932 von Irène Joliot-Curie und Frédéric Joliot in berichtet Paris . Sie zeigten, dass diese unbekannte Strahlung auf Paraffin oder etwas anderes fiel Wasserstoff -haltige Verbindung emittiert es Protonen mit sehr hoher Energie. Dies stand an sich nicht im Widerspruch zu der angenommenen Gammastrahlennatur der neuen Strahlung, aber eine detaillierte quantitative Analyse der Daten wurde immer schwieriger mit einer solchen Hypothese in Einklang zu bringen. Schließlich (später 1932) kam der Physiker James Chadwick hinzu England führte eine Reihe von Experimenten durch, die zeigten, dass die Gammastrahlen-Hypothese unhaltbar war. Er schlug vor, dass die neue Strahlung tatsächlich aus ungeladenen Teilchen von ungefähr der Masse der bestand Proton , und er führte eine Reihe von Experimenten durch, um seinen Vorschlag zu bestätigen. Solche ungeladenen Teilchen wurden schließlich genannt Neutronen , offenbar aus der Latein Wurzel für neutral und das griechische Ende -an (durch Nachahmung von Elektron und Proton ).
Aktuelle Entwicklungen
Die Existenz stabiler Cluster aus vier Neutronen oder Tetraneutronen wurde von einem Team unter der Leitung von Francisco-Miguel Marqués am CNRS-Labor für Kernphysik auf der Grundlage von Beobachtungen des Zerfalls von angenommen Beryllium -14 Kerne. Dies ist besonders interessant, da die aktuelle Theorie besagt, dass solche Cluster nicht stabil sein sollten und daher nicht existieren sollten.
Ein Experiment am Institut Laue-Langevin (ILL) hat versucht, einen elektrischen Dipol oder eine Ladungstrennung innerhalb des Neutrons zu messen, und stimmt mit einem elektrischen Dipolmoment von Null überein. Diese Ergebnisse sind wichtig für die Entwicklung von Theorien, die über das Standardmodell hinausgehen. Siehe Artikel FRONTIERS und die Webseite des Experiments.
Anti-Neutron
Das Antineutron ist das Antiteilchen des Neutrons. Es wurde von Bruce Cork im Jahr 1956 entdeckt, ein Jahr nach der Entdeckung des Antiprotons.
Die CPT-Symmetrie schränkt die relativen Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen stark ein und ist daher offen für strenge Tests. Der fraktionale Unterschied in den Massen von Neutron und Antineutron beträgt (9±5)×10 -5 . Da die Differenz nur etwa 2 Standardabweichungen von Null entfernt ist, liefert dies keinen überzeugenden Beweis für eine CPT-Verletzung.
