Ликбез RnD.CNews: все, что нужно знать о нейтронах

Ученые производят нейтроны на исследовательских реакторах и ускорителях частиц, а также используют их для изучения структуры кристаллов, материалов и жидкостей. 

Нейтроны находятся в каждом атоме, но единственным исключением является водород, ядро ​​которого содержит только один протон. Нейтроны имеют нейтральный электрический заряд (не отрицательный и не положительный) и немного большую массу, чем положительно заряженные протоны. 

«Свободные» нейтроны — это те, которые не заключены внутри ядра. В таком случае они образуются в результате ядерных процессов деления и синтеза.

В то время как количество протонов определяет, каким элементом является атом, количество нейтронов в ядре может варьироваться — по их числу различают изотопы элемента. Например, обычный водород содержит один протон и не содержит нейтронов, но изотопы водорода —  дейтерий и тритий — имеют один и два нейтрона соответственно наряду с протоном.

Нейтроны — составные частицы, и они состоят из трех меньших элементарных частиц, называемых кварками. Они удерживаются вместе сильным взаимодействием. В частности, нейтрон содержит один «верхний» и два «нижних» кварка. 

Некоторые нейтроны взаимодействуют непосредственно с атомами в образце и «отскакивают» под разными углами, как шары, сталкивающиеся при игре в бильярд. Этот метод называется рассеянием нейтронов. Ученые используют специальные высокоскоростные детекторы для улавливания рассеянных нейтронов и измерения их энергии, скорости и направления. Полученная информация помогает рассчитать свойства материалов, такие как форма и размеры кристаллов и молекул.

Нейтроны также могут быть неразрушающим способом анализа свойств материалов, так как они не повреждают материалы во время испытаний, как другие методы. Более того, в науке нейтроны использовались даже для изучения археологических артефактов. Еще нейтроны применяли для судебно-медицинской экспертизы волос американского президента Закари Тейлора, чтобы доказать, что он не был отравлен в 1850 году.

Открытие нейтронов

После того как Эрнест Резерфорд открыл в 1911 году, что атомы имеют ядро, а девять лет спустя обнаружил, что атомные ядра, по крайней мере частично, состоят из протонов, последовало и открытие нейтрона в 1932 году Джеймсом Чедвиком. В 1935 году Чедвик получил Нобелевскую премию за свое открытие.

Идея о том, что в ядре атома должно быть что-то еще, возникла из-за того, что количество протонов не соответствовало атомной массе атома. Например, атом кислорода содержит 8 протонов, но имеет атомную массу 16, что позволяет предположить, что он содержит 8 других частиц. Однако эти частицы должны быть электрически нейтральными, поскольку атомы обычно не имеют общего электрического заряда (отрицательный заряд электронов уравновешивает положительный заряд протонов).

Масса и заряд нейтронов

Нейтроны электрически нейтральны, поэтому у них нет заряда. Их масса в 1,008 раза больше массы протона — другими словами, они примерно на 0,1% тяжелее.

Нейтроны не «любят» существовать сами по себе вне ядра. Энергия ядерной связи между ними и протонами в ядре сохраняет их стабильность, но когда они оказываются сами по себе, то подвергаются бета-распаду примерно через 15 минут, превращаясь в протон, электрон и антинейтрино.

Альберт Эйнштейн в своем знаменитом уравнении E = mc2 утверждал, что масса и энергия эквивалентны. Хотя массы нейтрона и протона лишь немного различаются, эта небольшая разница означает, что нейтрон имеет большую массу и, следовательно, большую энергию, чем протон и электрон вместе взятые. Вот почему при распаде нейтрона образуются протон и электрон.

Изотопы и радиоактивность

Изотоп — разновидность элемента, в котором преобладают нейтроны. Например, мы уже упоминали изотопы водорода дейтерий и тритий, которые имеют 1 и 2 дополнительных нейтрона соответственно. 

Некоторые изотопы стабильны, например, дейтерий. Другие нестабильны и неизбежно подвергаются радиоактивному распаду. Тритий нестабилен — его период полураспада (время, за которое в среднем распадается половина заданного количества изотопа) составляет около 12 лет. Другие изотопы распадаются гораздо быстрее, в считанные минуты, секунды или даже доли секунды.

Нейтроны также являются важными инструментами в ядерных реакциях, в частности, при вызове цепной реакции. Нейтроны, поглощаемые атомными ядрами, создают нестабильные изотопы, которые затем подвергаются ядерному делению — расщеплению на два меньших дочерних ядра других элементов. Например, когда уран-235 поглощает лишний нейтрон, он становится нестабильным и распадается на части, высвобождая при этом энергию. 

Нейтроны также играют важную роль в создании тяжелых элементов в массивных звездах посредством механизма, известного как r-процесс (от англ. rapid — «быстрый»). Этот процесс был впервые подробно описан в 1957 году в удостоенной Нобелевской премии статье B²FH. В ней описывалось происхождение элементов посредством звездного нуклеосинтеза.

Звезды, подобные Солнцу, могут производить элементы кислорода, азота и углерода в результате ядерных реакций синтеза. Более массивные звезды могут продолжать существовать и создавать оболочки из все более тяжелых элементов вплоть до железа-56 в ядре звезды. В этот момент реакции требуют, чтобы для сплавления элементов тяжелее железа в них вкладывалось больше энергии, чем та, которая производится в результате этих реакций. Поэтому эти реакции прекращаются, как и производство энергии, и ядро ​​звезды коллапсирует, вызывая взрыв. И именно во время невероятно мощного взрыва сверхновой условия могут стать достаточно экстремальными, чтобы высвободить множество свободных нейтронов за короткий промежуток времени. 

При взрыве сверхновой атомные ядра способны захватить все эти свободные нейтроны до того, как они все распадутся (вот почему процесс описывается как быстрый), чтобы спровоцировать r-процесс нуклеосинтеза. Как только ядра заполнятся нейтронами, они становятся нестабильными и подвергаются бета-распаду, а дополнительные нейтроны превращаются в протоны. Добавление этих протонов изменяет тип элемента, которым является ядро. Таким образом, мы наблюдаем создание новых тяжелых элементов, таких как золото, платина и другие драгоценные металлы. 

Нейтронные звезды

Только в самых экстремальных условиях нейтроны могут выжить вне атомных ядер. Так, нейтронные звезды — это объекты, почти полностью состоящие из нейтронов. Они представляют собой остаток от ядра звезды после того, как она претерпела коллапс ядра и взорвалась как сверхновая. Взрыв, возможно, унес внешние слои звезды, но сжимающееся ядро ​​осталось нетронутым. 

При отсутствии ядерных реакций, вырабатывающих энергию для противодействия гравитации, масса ядра настолько велика, что оно подвергается катастрофическому гравитационному коллапсу, при котором гравитационное давление достаточно велико, чтобы протоны и электроны могли преодолеть электростатическую силу между ними и столкнуться друг с другом, сливаясь в своего роде обратном бета-распаде с образованием нейтронов. 

Почти все атомы в ядре превращаются в нейтроны, поэтому мы называем результат нейтронной звездой. Они маленькие, всего 10-20 км в поперечном разрезе, но вмещают всю массу ядра мертвой звезды. 

Самая массивная нейтронная звезда, которая когда-либо была обнаружена, имеет массу в 2,35 раза больше, чем наше Солнце.

Слияния двойных нейтронных звезд, которые обнаруживаются астрофизиками как килоновые и их гравитационные волны, также являются местами обильного нуклеосинтеза r-процесса. Килоновая двух сливающихся двойных звезд, выпустивших гравитационно-волновой всплеск GW 170817, произвела тяжелых элементов массой, в 16 000 раз превышающей массу Земли, причем золота и платины было примерно на десять масс Земли!

По сути, все вокруг нас представляет собой слабый естественный «фон» из свободных нейтронов, созданный космическими лучами, входящими в нашу атмосферу, и естественной радиоактивностью земной коры.