Nötron

Nötron, sembolü n veya n⁰ olan, bir atomaltı ve nötr bir parçacıktır. Proton ile birlikte, atomun çekirdeğini meydana getirir. Bir yukarı ve iki aşağı kuark ve bunların arasındaki güçlü etkileşim sayesinde oluşur. Proton ve nötron yaklaşık olarak aynı kütleye sahiptir (1 akb) fakat nötron daha fazla kütleye sahiptir. Nötron ve protonun her ikisi nükleon olarak isimlendirilir. Nükleonların etkileşimleri ve özellikleri nükleer fizik tarafından açıklanır. Nötr hidrojen atomu dışında bütün atomların çekirdeklerinde nötron bulunur. Her atom farklı sayıda nötron bulundurabilir. Proton ve nötronlar, kuarklardan oluştukları için temel parçacık değildirler.

Bir atomun kimyasal özellikleri çoğunlukla nükleon çevresindeki atomik orbitalde bulunan elektronlar tarafından belirlenir. Elektron dizilimi, nükleonun elektrik yüküyle, atom numarası yani proton sayısıyla belirlenir. Nötronlar nötr oldukları için elektron dizilimine etki etmezler ama protonla beraber nükleonun kütlesini oluştururlar. İzotop, atom numaraları aynı olup içerdikleri nötron sayısı farklı olan (dolayısıyla nükleon sayıları da farklıdır) iki veya daha fazla atom türüdür. (daha detaylı bilgi için bkz. İzotop) Bazı elementler doğada tek bir tür kararlı izotopla oluşurken, flor gibi, daha çok kararlı izotopla oluşan türler de, kalay gibi, vardır. Ayrıca bazı elementlerin, teknesyum gibi, kararlı izotopları yoktur.

Nükleonun özellikleri atom ve nötron numaralarına bağlıdır. Nükleon içindeki protonlar pozitif yüklü oldukları için uzun erimli elektromanyetik kuvvet bu protonları birbirlerinden iter fakat daha güçlü ama daha kısa erimli olan nükleer kuvvet nükleonu kararlı yapar. Nükleonun kararlı olabilmesi için sadece bir adet protondan oluştuğu için hidrojen hariç tüm atomlarda nötron gereklidir. Nötronlar nükleer füzyon ve fisyonda üretilebilir. Nötronlar; nükleer füzyon, fisyon ve nötron yakalama yoluyla yıldızlardaki nükleosenteze doğrudan katkı sağlarlar.

Nötronlar nükleer enerji üretiminde temel öneme sahiptir. Nötronun James Chadwick tarafından 1932'de keşfedilmesinden sonra, nötronlar nükleer dönüşümün farklı türlerini başlatmak için kullanıldı. 1938'deki nükleer fisyonun keşfiyle, hemen anlaşıldı ki, eğer bir nükleer fisyon olayı nötron üretirse, bu üretilen nötronlar da başka fisyon olayını başlatacaktır. Bu aşamalı durum zincirleme nükleer reaksiyon olarak adlandırılmıştır. Bu olaylar ve keşifler ilk kendi kendine yeten nükleer reaktör (Chicago Pile-1, 1942) ve ilk nükleer silahın yapımına (Trinity, 1945) neden olmuştur.

Nükleon içindeki bir nötron kararlı bir yaşam süresine sahipken, nükleon dışındaki bir nötron, yani serbest haldeki bir nötron, yaklaşık olarak 15 dakikalık bir yaşam süresine sahiptir. Bu sürenin sonunda kendiliğinden olarak bir protona, elektrona, ve bir antinötrino'ya bozunurlar. Serbest haldeki nötronlar atomları iyonize etmese de, dolaylı olarak iyonlaştırıcı radyasyona sebep olurlar. Yani dozuna bağlı olarak biyolojik bir tehlikeye yol açabilirler. Doğal bir nötron arkaplanı, yani sayıca küçük bir akıya sahip dünyada oluşan serbest nötronlar, kozmik ışın sağanakları (İng: Air shower (physics)) ve Dünya'nın yerkabuğundaki kendiliğinden bölünebilen elementlerin doğal radyasyonu yüzünden oluşur.

Bir atom çekirdeği güçlü etkileşim sayesinde bir arada tutulan proton ve nötronlardan oluşur. Çekirdekteki protonun sayısı Z (atom numarası) ve nötronun sayısı N (nötron numarası) olarak tanımlanmıştır. Atom numarası atomun kimyasal özelliklerini belirlerken nötron numarası atomun izotop veya nüklit olup olmamasını belirler. İzotop ve nüklit kavramları birbirleri yerine eşanlamlı olarak kullanılsa da sırasıyla birisi kimyasal birisi nükleer özellik ifade eder. İzotoplar atom numaraları aynı nötron numaraları farklı nüklitlerdir. Nüklitler nötron numaraları aynı atom numaraları farklı olursa izotonlar olarak adlandırılırlar. Kütle numarası A atom ve nötron numarasının toplamına eşittir. Aynı kütle numarasına sahip olup farklı atom ve nötron numarasına sahip olan nüklitlere izobarlar denir.

Hidrojen atomu çekirdeğinin en sık bulunan izotopu (element simgesiyle 1H) sadece bir adet protondur. Ağır hidrojen çekirdeği izotopları olan döteryum (D veya 2H) ve trityum (T veya 3H) sırasıyla bir protonun yanında iki ve üç nötron bulundurur. Diğer tüm atom çekirdeği türleri iki veya daha fazla protondan ve çeşitli sayıda nötrondan oluşur. Örneğin kimyasal element olan kurşunun (208Pb) en çok bulunan nükliti 82 proton ve 126 nötron içerir.

Serbest haldeki nötronlar kullanılan birime göre 939 565 413.3 eV/c², veya 1.674927471× kg, veya 1.008 664 915 88 Da kütleye sahiptir ve spin-½ fermiyonlardır. Nötronların ölçülebilir bir elektrik yükü yoktur. Pozitif yükleri sayesinde protonlar elektrik alandan doğrudan etkilenebilirken, nötronlar elektrik alandan etkilenemez. Fakat nötronlar manyetik momente sahip olduklarından manyetik alandan etkilenirler.

Serbest haldeki nötronlar kararsızdır (yaşam süreleri sınırlıdır) ve 15 dakikadan az (879.6±0.8 s) ortalama yaşam süresiyle proton, elektron ve karşı-nötrinoya bozunurlar. Bu radyoaktif bozunum, beta bozunumu olarak da bilinir, mümkündür çünkü nötronun kütlesi protonun kütlesinden çok az daha fazladır. Serbest haldeki proton kararlıdır. Fakat atom çekirdeğindeki protonlar ve nötronlar nüklite göre değişerek kararlı veya kararsız olabilirler. Nötronun protona bozunduğu eksi beta bozunumu ve protonun nötrona dönüştüğü artı beta bozunumu zayıf kuvvet tarafından yönetilir. Bu bozunumlar elektronun, nötrinonun ve bunların karşıt parçacıklarının yayımını veya soğurulmasını gerektirir.

Protonlar ve nötronlar atom çekirdeği içinde nükleer kuvvetin etkisiyle neredeyse tamamen aynı şekilde davranırlar. Proton ve nötronun aynı parçacığın kuantum durumu olarak görüldüğü izospin kavramı nükleonların nükleer veya zayıf kuvvetle etkileşimlerini modellemek için kullanılır. Nükleer kuvvetin kısa mesafedeki güçlü etkisi yüzünden nükleonların bağlanma enerjileri elektronların atoma bağlanma enerjilerinden 7 kat daha fazladır. Nükleer reaksiyonlar (nükleer fisyon gibi) dolayısıyla kimyasal reaksiyonların on milyon katından daha fazla enerji yoğunluğuna sahiptir. Kütle-enerji eşdeğerliği yüzünden nükleonların bağlanma enerjileri atom çekirdeğinin kütlesini azaltır. Nükleer bileşenlerin elektromanyetik itmelerinden doğan enerjinin nükleer kuvvet tarafından depolanabilmesi nükleer reaktörlerin ve bombaların mümkün olabilmesini sağlayan enerjinin çoğunun temelidir. Nükleer fisyonda bir nötronun ağır bir nüklit (örneğin uranyum-235) tarafından soğurulması nüklitin kararsız hale gelmesine ve daha hafif nüklitlere ve ek nötronlara bozunmasına sebep olur. Daha sonra pozitif yüklü hafif nüklitler elektromanyetik potansiyel enerjiyi serbest bırakarak birbirlerini iter.

Nötron hadron olarak sınıflandırılır çünkü nötron kuarklardan oluşan bileşik bir parçacıktır. Dolayısıyla nötron bir temel parçacık değildir. Nötron üç adet kuarkın birleşiminden oluştuğu için baryon olarak da sınıflandırılır. Nötronun ölçülebilir boyutu ve manyetik momenti nötronun bileşik bir parçacık olduğunu gösterir. Bir nötron −e yüklü 2 adet aşağı kuarktan ve 1 adet +e yüklü yukarı kuarktan oluşur.

Nötron birçok nükleer reaksiyonda önemli bir rol oynar. Örneğin, nötron yakalama genellikle radyoaktivite'yi uyararak nötron aktivasyonu ile sonuçlanır. Özellikle, nötronlar ve davranışları hakkında bilgi, nükleer reaktörlerin ve nükleer silahların geliştirilmesinde önemli olmuştur. Uranyum-235 ve plütonyum-239 gibi elementlerin fisyonlanması bu elementlerin nötronları soğurmalarından kaynaklanır.

Soğuk, termal ve sıcak nötron radyasyonu yaygın olarak, yoğun madde analizi için X-ışınlarını kullanımına benzer şekilde radyasyonun kullanıldığı nötron saçılma tesislerinde kullanılır. Nötronlar, farklı saçılma kesitleri yoluyla, manyetizmaya duyarlılık, esnek olmayan nötron spektroskopisi için enerji aralığı ve maddeye derinlemesine nüfuz etmede atomik zıtlıklar açısından x-ışınlarının tamamlayıcılarıdır.

İçi boş cam kılcal tüpler içindeki toplam iç yansımaya veya çukurlu alüminyum plakalardan yansımaya dayalı "nötron merceklerinin" geliştirilmesi, nötron mikroskobu ve nötron/gama ışını tomografisi üzerine devam eden araştırmaları yönlendirmiştir.

Nötronların başlıca kullanımlarından biri, malzemelerdeki elementlerden gecikmeli ve hızlı gama ışınılarını harekete geçirmektir. Bu, nötron aktivasyon analizi (NAA) ve hızlı gama nötron aktivasyon analizi (PGNAA)'nın temelidir. NAA çoğunlukla bir nükleer reaktör içindeki küçük malzeme örneklerini analiz etmek için kullanılırken, PGNAA en çok deliklerin (ing: bore holes) etrafındaki yeraltı kayalarını ve konveyör bantlarındaki endüstriyel dökme malzemelerin analizinde kullanılır.

Nötron yayıcıların (ing: neutron emitters) başka bir kullanımı, hafif çekirdeklerin, özellikle su moleküllerinde bulunan hidrojenin saptanmasıdır. Hızlı bir nötron hafif bir çekirdekle çarpıştığında enerjisinin büyük bir kısmını kaybeder. Nötron probu, hidrojen çekirdeklerinden yansıdıktan sonra yavaş nötronların sondaya geri dönme hızını ölçerek topraktaki su içeriğini belirleyebilir.

Nötron radyasyonu hem nüfuz edici hem de iyonlaştırıcı olduğundan, tıbbi tedavilerde kullanılabilir. Bununla birlikte, nötron radyasyonu, etkilenen bölgeyi radyoaktif bırakma gibi talihsiz bir yan etkiye sahip olabilir. Bu nedenle Nötron tomografisi uygulanabilir bir tıbbi uygulama değildir.

Hızlı nötron tedavisi, kanseri tedavi etmek için tipik olarak 20 MeV'den büyük yüksek enerjili nötronlar kullanır. Kanser Radyoterapisi, hücrelerin iyonlaştırıcı radyasyona biyolojik tepkisine dayanır. Radyasyon, kanserli bölgelere zarar vermek için küçük seanslarda verilirse, normal dokunun kendini onarmak için zamanı olur ama tümör hücrelerinin çoğu bu zaman içinde kendini onaramaz. Nötron radyasyonu, kanserli bölgeye gama radyasyonu'ndan daha büyük bir oranda enerji verebilir.

Düşük enerjili nötron ışınları kanseri tedavi etmek için bor nötron yakalama terapisi'nde kullanılır. Bor nötron yakalama tedavisinde hastaya bor içeren ve tercihen hedeflenecek tümörde biriken bir ilaç verilir. Tümör daha sonra borun içindeki boron-10 izotopu tarafından yakalanan çok düşük enerjili nötronlarla (çoğunlukla termal enerjiden daha yüksek olmasına rağmen) bombardımana tutulur, bu daha sonra kötü huylu hücreyi öldürmek için yeterli enerjiye sahip, ancak yakın hücrelere zarar vermeyecek kadar az menzilli lityum-7 ve Alfa parçacığı üretmek için bozulan uyarılmış boron-11 hali üretir. Böyle bir tedavinin kanser tedavisinde uygulanabilmesi için yoğunluğu saniyede bin milyon (109) nötron/cm2 olan bir nötron kaynağı tercih edilir. Bu tür akılar nükleer araştırma reaktörü gerektirir.