נייטרון

נֵיטְרוֹן (Neutron; מלטינית: "שאינו נוטה לשום צד". ידוע בעברית גם באיות ובשמות: ניוטרון, נויטרון) הוא נוקליאון חסר מטען חשמלי. מסת המנוחה שלו היא כ-939.6 MeV, או כ-1.008665 יחידות מסה אטומית מאוחדת, מעט יותר מזו של הפרוטון, שמסתו כ-938.3 MeV. הגרעין של כל סוגי האטומים, למעט האיזוטופ הנפוץ של מימן, המורכב מפרוטון אחד בלבד, מורכב מפרוטונים ונייטרונים. בתוך הגרעין, הנוקליאונים חווים תנודה (oscillation) בלתי פוסקת בין נייטרונים לפרוטונים, המותמרים מאחד לשני על ידי פליטה וקליטה של פאיונים. כאשר שני אטומים הם של אותו יסוד כימי (כלומר, הם בעלי מספר אטומי זהה) אך לכל אחד מהם יש מספר שונה של נייטרונים (כלומר, הם בעלי מספר מסה שונה), הם מהווים איזוטופים שונים של אותו יסוד. מחוץ לגרעין, הנייטרון בלתי יציב ובעל אורך חיים ממוצע של כ־880 שניות בלבד. דעיכת נייטרון מתרחשת גם בגרעינים של אטומים לא יציבים, כלומר, רדיואקטיביים. הנייטרון מכיל שלושה קווארקי ערכיות (valence quarks), שני קווארקי למטה (d) וקווארק למעלה (u) אחד. לפיכך, הנייטרון הוא באריון. בדעיכת בטא מינוס, אחד הקווארקים מסוג d שבנייטרון — שמסתו גדולה ממסת קווארק u — דועך לקווארק u ולבוזון W-. בוזון ה-W- דועך תוך כ-‎3×10-25‎ שניות לאלקטרון ולאנטי-נייטרינו אלקטרוני. למרות שגם האטום במצבו הרגיל נטול מטען חשמלי, האטום גדול פי 10,000 לערך מהנייטרון ומורכב ממערכת מסובכת של אלקטרונים, בעלי מטען חשמלי שלילי, המפוזרים במסלולים נרחבים סביב גרעין טעון חיובית. חלקיקים בעלי מטען חשמלי, כגון פרוטונים, אלקטרונים וחלקיקי אלפא (גרעיני הליום), כמו גם קרינה אלקטרומגנטית (כגון קרינת גמא), מאבדים אנרגיה במעבר דרך חומר. הם מפעילים כוחות חשמליים המייננים את אטומי החומר דרכו הם עוברים. האנרגיה הנלקחת לצורך יינון שווה לאנרגיה שאבדה לחלקיקים הטעונים במעבר החומר, דבר הגורם להאטה, או על ידי קרינת גמא הנספגת. לעומת זאת, הנייטרון אינו מושפע על ידי כוחות אלו. הוא מושפע רק מהכוח הגרעיני, בעל טווח הפעולה הקצר מאוד, המשחק תפקיד רק כשהנייטרון מתקרב מאוד לגרעין האטום. לפיכך, נייטרון חופשי נע בדרכו ללא הפרעה עד שהוא מתנגש ישירות עם גרעין האטום. מכיוון שהנפח שתופס גרעין האטום הוא קטן מאוד, התנגשויות אלו קורות לעיתים נדירות והנייטרון עובר מרחק רב לפני ההתנגשות. במקרה של התנגשות אלסטית, כללי ההתמדה הרגילים פועלים כבמקרה של התנגשות אלסטית בין כדורי ביליארד. אם הגרעין שבו התנגש הנייטרון הוא כבד, הוא צובר מהירות מעטה יחסית, אך אם ההתנגשות הייתה עם פרוטון שמסתו שוות ערך למסת הנייטרון, הפרוטון נזרק קדימה במהירות קרובה למהירות המקורית של הנייטרון, שבמקביל מואט בהתאם. התנגשויות משניות כתוצאה מכך ניתנות לאיתור מכיוון שהחלקיקים המושפעים מהתנגשויות אלו טעונים במטען חשמלי וגורמים ליינון. טבעו נטול המטען של הנייטרון מקשה על השליטה עליו, בנוסף להיותו קשה לאיתור. ניתן להאיץ, להאט או להסיט חלקיקים טעונים באמצעות שדות חשמליים או מגנטיים, אבל לאלו אין השפעה על נייטרונים. הדרך היחידה שבידינו לשלוט על נייטרונים חופשיים היא להציב גרעינים בנתיבם כך שהם יואטו, יוסטו או ייספגו בהתנגשויות. לתופעות אלו חשיבות מעשית גדולה בכורים גרעיניים ובנשק גרעיני. ב-1930, צמד חוקרים גרמנים, ולתר בותה והנס בקר, גילו שכאשר חלקיקי אלפא הנפלטים מפולוניום, שהם בעלי אנרגיה רבה, פוגעים ביסודות קלים מסוימים כגון בריליום, בור או ליתיום, מופקת קרינה חודרנית ביותר. בתחילה הניחו שמדובר בקרינת גמא, למרות שלקרינה הייתה יכולת חדירה חזקה מזו של כל קרני הגמא הידועות, ולא ניתן היה לפרש את תוצאות הניסויים על בסיס השערה זו. התרומה המשמעותית הבאה דווחה על ידי בני הזוג אירן ופרדריק קירי בפריז. הם הראו שאם קרינה בלתי-מוכרת זו פוגעת בפרפין, או בתרכובות אחרות המכילות מימן, הן פולטות פרוטונים בעלי רמת אנרגיה גבוהה. כשלעצמה, לא הייתה בעובדה זו סתירה להתנהגות קרינת גמא שהניחו שהיא הקרינה הבלתי-מוכרת, אבל ניתוח כמותי מפורט של המידע לא התאים להשערה זו. בשלהי 1932, ביצע הפיזיקאי האנגלי ג'יימס צ'דוויק סדרת ניסויים שהפריכו סופית את השערת קרינת הגמא. הוא הציע השערה, על פיה הקרינה היא מסוג חדש ומורכבת מחלקיקים חסרי מטען, שמסתם קרובה למסת הפרוטון. צ'דוויק ערך סדרת ניסויים, שכללו את מדידת הפיזור של פרוטונים שנפלטו מאטומי מימן אשר נחשפו לקרינת אלפא. ניסויים אלו אימתו את השערתו. חלקיקים בלתי-טעונים אלו קרויים כיום נייטרונים. על גילוי זה זכה צ'דוויק בפרס נובל לפיזיקה ב-1935. האדרון באריון פרוטון אלקטרון כוכב נייטרונים ארז גרטי, חלקיקי החומר – הנויטרון, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 4 ביולי 2011 נייטרון, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) ניטרונים, דף שער בספרייה הלאומית "CODATA Value: neutron mass energy equivalent in MeV". NIST. 25 ביוני 2015. נבדק ב-5 במרץ 2017. {{cite web}}: (עזרה) "CODATA Value: atomic mass constant energy equivalent in MeV". NIST. 25 ביוני 2015. נבדק ב-5 במרץ 2017. {{cite web}}: (עזרה) B. A. Zeck, A. R. Young, T. L. Womack, J. W. Wexler, Measurement of the neutron lifetime using a magneto-gravitational trap and in situ detection, Science 360, 2018-05-11, עמ' 627–632 doi: 10.1126/science.aan8895