نوترون چیست؟

هسته هیدروژن یکی از کوچکترین هسته‌ها را در بین تمامی اتم‌ها دارا بوده که دارای بار الکتریکی 1+ است. درسال 1914 ارنست رادرفورد، فیزیکدان استرالیایی این تصور را داشت که هسته اتم تنها از پروتون تشکیل شده و دارای بار مثبت است. در حقیقت پروتون در زبان یونانی به معنی نخست است.این‌طور به‌نظر می‌رسد که هسته دیگر اتم‌ها نیز به اندازه عدد اتمی‌شان دارای پروتون هستند. برای نمونه هسته اتم اورانیوم، ۲۹۸ پروتون و هسته اتم اکسیژن، ۸ پروتون دارد. در نتیجه می‌توان گفت جرم هسته هر اتم باید تنها از پروتون تشکیل شده باشد. اما اندازه‌گیری‌ها نشان می‌داد که برای نمونه جرم هسته هلیوم ۴ برابر جرم هسته هیدروژن است. این در حالی است که نسبت عدد اتمی آن‌ها برابر با ۲ است. بنابراین این اندازه‌گیری نشان می‌داد که تنها نصف جرم اتم هلیوم از پروتون تشکیل شده است. حال این سوال مطرح می‌شود که نصف دیگر جرم از چه چیزی تشکیل شده است؟هسته اتم‌های هیدروژن و هلیومبه‌طور دقیق‌تر می‌توان گفت اختلاف بین جرم پروتون‌ها و جرم اتم‌ها برای تمامی اتم‌هایی با بیش از ۱ پروتون وجود دارد. فیزیکدانان همواره این پرسش را در ذهن داشتند تا این که پاسخ آن در سال ۱۹۳۲ یافت شد.داستان کشف نوترون به آغاز قرن بیستم برمی‌گردد. نهایتا کشف این ذره منجر به تولید بمب اتمی در سال ۱۹۴۵ شد. در مدل اتمی رادرفورد، اتم شامل یک هسته مثبت خالی کوچک بود که توسط تعدادی الکترون با بار منفی احاطه شده‌اند. در سال 1920، رادرفورد پیشنهاد کرد که هسته اتم شامل پروتون‌هایی با بار مثبت و ذراتی خنثی است. فرض بر این بود که الکترون‌ها در داخل هسته قرار دارند، زیرا آزمایش‌ها نشان می‌داد که تابش بتا شامل الکترونهایی است که از هسته منتشر می‌شوند. در طول دهه 1920 فیزیکدانان تصور می‌کردند که هسته اتم از پروتون ها و «الکترون‌های هسته‌ای» تشکیل شده‌اند. اما این فرض تناقضاتی را در پی داشت. برای نمونه سازگار شدن این مدل برای هسته‌ها با اصل عدم قطعیت هایزنبرگ مکانیک کوانتومی بسیار دشوار به‌نظر می‌رسد. پارادوکس کلاین که توسط اسکار کلاین در سال 1928 ارائه شد، تناقضات بیشتری را بین کوانتوم مکانیک و مفهوم الکترون محدود شده درون هسته، ارائه داد.ساختار آزمایش انجام شده توسط رادرفوردوالتر بوث و هربرت بکر در سال 1931 دریافتند که اگر تابش ذرات آلفای ناشی شده از پولونیوم را به اتم‌های بریلیم، بورون یا لیتیوم بتابانند، تابشی غیرعادی تولید می‌شود که قدرت نفوذ آن بسیار بالا است. این تابش تحت تاثیر میدان الکتریکی قرار نمی‌گیرد، بنابراین بوث و بکر فرض کردند که تابش مذکور اشعه گاما است. رادرفورد و جیمز چادویک در آزمایشگاه کاوندیش در کمبریج با تفسیر ارائه شده در مورد اشعه گاما متقاعد نشدند. چادویک به سرعت یک سری آزمایش انجام داد و نشان داد که پرتو تولید شده شامل ذرات بدون باری با جرمی در حدود جرم پروتون است. او این ذرات را نوترون نامید. چادویک در سال 1935 جایزه نوبل فیزیک را برای این کشف به دست آورد. مدل پروتون-نوترونی هسته اتم معمای چرخش هسته را توضیح ‌می‌داد. منشاء اشعه بتا نیز در سال 1934 توسط انریکو فرمی و با استفاده از فرایند واپاشی بتا توضیح داده شد. او بیان کرد که در این فرآیند نوترون با ایجاد یک الکترون و یک نوترینو، به یک پروتون تبدیل می‌شود.ویژگی‌هانوترون‌ها در داخل هسته، پایدار هستند. این استحکام ساختاری، زمانی که آن‌ها در یک موقعیت آزاد و مستقل قرار بگیرند از بین می‌رود. از آنجایی که نوترون کمی سنگین‌تر از پروتون است، رابطه معروف انرژی انیشتین، جرم اضافی را با انرژی معادل‌سازی کرده و آن را توضیح می‌دهد.متوسط ​​طول عمر یک نوترون در حالت آزاد، عددی از مرتبه یک چهارم ساعت است. به همین دلیل نوترون‌های آزادی که ما با آنها روبرو هستیم، اخیرا تشکیل شده‌اند. این نوترونها یا توسط اشعه‌های کیهانی در فضای بیرونی تولید شده و یا اخیرا توسط راکتورهای هسته‌ای بوجود آمده‌اند.نوترون، همان‌طور که از نام آن می‌توان فهمید، هیچ بار الکتریکی نداشته در نتیجه تحت تاثیر بار الکتریکی هسته نیست. از این رو می‌توان از آن به‌منظور شروع واکنش‌های هسته‌ای استفاده کرد. نفوذ ناگهانی نوترون به یک هسته سنگین می‌تواند تعادل آن را بر هم زده و عاملی برای ایجاد واکنش هسته‌ای شود.در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه فیزیک و ریاضی، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:مجموعه آموزش‌های دروس فیزیکمجموعه آموزش‌های ریاضیاتاوربیتال و آرایش الکترونی — به زبان سادهمدل اتمی بور — به زبان سادهحرکت پرتابی — به زبان سادهمنبع [+]