Nifteind

Nifteind er þungeind með enga rafhleðslu og massa upp á 939,6 MeV/c² (1,6749 x 10-27 kg, aðeins meiri en róteindar). Spuni hennar er ½ og hún telst því til fermíeinda.

Kjarni allra frumeinda er úr róteindum og nifteindum (fyrir utan algengustu samsætu vetnis, sem er einungis úr einni róteind). Nifteind og róteind kallast kjarneindir.

Mismunurinn á massa- og sætistölu frumeindar (formula_1) sýnir fjölda nifteinda í kjarnanum.

Almennir eiginleikar.

Utan kjarnans eru nifteindir óstöðugar og hafa meðallíftímann 866 sekúndur (um 15 mínútur). Þær hrörna niður í róteind með því að gefa frá sér rafeind og andfiseind. Nifteindir í þessu óstöðuga formi eru kallaðar frjálsar nifteindir. Þetta sama hrörnunarferli (betahrörnun) á sér einnig stað í sumum kjörnum. Eindir innan kjarnans sveiflast á milli nifteinda og róteinda, sem breytast í hvor aðra við útgeislun og ísog á píeindum. Nifteind er flokkuð sem þungeind og er úr tveimur "niður" kvörkum og einum "upp" kvarka. Jafngildi nifteindar í andefni er andnifteind.

Sá eiginleiki nifteinda sem skilur þær frá öðrum algengum öreindum er sú staðreynd að þær eru óhlaðnar. Þessi eiginleiki seinkaði uppgötvun þeirra og gerir þær mjög smeygnar. Einnig veldur hann því að ókleift er að athuga þær beint og hann gerir þær mjög mikilvægar sem aðili að kjarnabreytingum.

Reyndar eru frumeindir í eðlilegu ástandi líka óhlaðnar, en þær eru tíuþúsund sinnum stærri en nifteindir og í þeim er flókið kerfi neikvætt hlaðinna rafeinda, sem eru dreifðar utan um jákvætt hlaðinn kjarna. Hlaðnar öreindir (eins og til dæmis róteindir, rafeindir og alfaeindir) og rafsegulgeislun (eins og til dæmis gammageislar) tapa orku er þær fara í gegnum efni. Í þeim eru rafkraftar sem jóna frumeindirnar sem þau fara í gegnum. Orkan sem verður til við þessa jónun jafngildir orkunni sem hlaðna eindin tapar, eða hraðaminnkun hennar, eða gammageisluninni sem er gleypt. Nifteindin er hins vegar óháð slíkum kröftum, einu kraftarnir sem hafa áhrif á hana eru sterki og veiki kjarnakrafturinn sem koma eingöngu við sögu mjög nálægt frumeindakjarnanum. Af þeim sökum getur frjáls nifteind ferðast langar leiðir áður en hún lendir í árekstri við frumeindakjarna. Vegna þess hversu þvermál kjarna er lítið þversnið verða slíkir árekstrar mjög sjaldan.

Ef fjaðrandi árekstur verður, gilda venjuleg lögmál skriðþunga á sama hátt og þegar knattborðskúlur skella saman. Ef kjarninn sem rekist er á er þungur, bætir hann fremur litlum hraða við sig. En ef nifteind skellur á róteind, sem hefur næstum sama massa, kastast róteindin áfram með háu hlutfalli af upprunalegum hraða nifteindarinnar. Á hinn bóginn hægist á nifteindinni sem því nemur. Endurkast frá þessum árekstrum getur mælst því að það er hlaðið og veldur jónun.

Þetta óhlaðna eðli nifteinda gerir ekki bara erfitt að greina þær heldur einnig að stýra þeim. Hlöðnum eindum er hægt að hraða, hægja á þeim eða breyta stefnu þeirra með rafmagni eða segulsviði. Þetta hefur hins vegar næstum engin áhrif á nifteindir (segulsvið hefur þó örlítil áhrif á frjálsa nifteind vegna segulvægis hennar). Að auki er eingöngu hægt að fá fram frjálsar nifteindir með sundrun kjarna, engin náttúruleg uppspretta þeirra er til. Eina leiðin sem við höfum til að stjórna frjálsum nifteindum er að setja frumeindakjarna í veg fyrir þær svo þær annaðhvort hægi á sér og breyti um stefnu við áreksturinn eða kjarnarnir gleypi þær. Hagnýta má þetta eðli í kjarnorkuofnum og kjarnorkuvopnum. Föngun frjálsra nifteinda skilar sér oft í nifteindaörvun sem orsakar geislavirkni. Hægt er að fá geisla af frjálsum nifteindum úr nifteindauppsprettum með nifteindaflutningi.

Uppgötvun.

Árið 1930 komust Walther Bothe og H. Becker í Þýskalandi að því að ef orkumiklar alfaeindir úr póloni féllu á sum létt frumefni, sérstaklega beryllín, bór eða litín, myndaðist mjög svo innsækin geislun. Fyrst var haldið að þessi geislun væri gammageislun þrátt fyrir að hún væri mun innsæknari en áður þekkt gammageislun og erfitt væri að túlka niðurstöður þessarar rannsóknar á þeim grundvelli. Næsta mikilvæga framlag kom frá Irène Joliot-Curie og Frédéric Joliot í París árið 1932. Þau sýndu fram á að ef þessi óþekkta geislun féll á paraffín, eða hvert það efnasamband annað sem innihélt vetni, skutust úr því róteindir með mikilli orku. Þetta virtist í sjálfu sér ekki ósamkvæmt áður ályktuðu gammageislaeðli þessarar nýju geislunar, en nákvæm hlutfallagreining niðurstaðnanna gerði það mjög erfitt að samræma þær þeirri ágiskun. Seinna á sama ári gerði eðlisfræðingurinn James Chadwick í Englandi röð tilrauna til að sýna fram á að gammageislatilgátan væri óverjandi. Hann stakk upp á að þessi ástæða þessarar nýju geislunar væru óhlaðnar eindir sem hefðu um það bil sama massa og róteindin og framkvæmdi svo aðra röð tilrauna til að sannreyna tilgátu sína. Þessar óhlöðnu eindir voru svo seinna kallaðar nifteindir.

Nýlegar rannsóknir.

Hópur eðlisfræðinga sem Francisco-Miguel Marqués hjá CNRS rannsóknastöðinni í kjarneðlisfræði hefur getið sér til um tilvist stöðugra klasa úr fjórum nifteindum, eða svokallaðar fjórnifteindir. Sú tilgáta byggir á athugunum á niðurbroti beryllín-14 kjarna. Þetta er sérstaklega áhugavert því viðteknar kenningar segja til um að þessir klasar séu óstöðugir og ættu því ekki að vera til.