Nøytron

Et nøytron er en subatomær hadronpartikkel med symbolet n eller n0, uten elektrisk ladning og med en masse som er marginalt større enn protonet. Med unntak av hydrogen består alle atomkjerner av både protoner og nøytroner, som kalles nukleoner. Antallet protoner i kjernen er atomnummeret og definerer hvilket grunnstoff atomet danner. Antallet nøytroner, som er nøytronnummeret, bestemmer hvilken isotop atomet er av grunnstoffet.

Egenskaper

Utenfor atomkjernen er nøytroner ustabile og har en gjennomsnittlig levetid på 886 sekunder (ca. 15 minutter). De omdannes til et elektron, en antinøytrino og et proton. Nøytroner i denne ustabile formen er kjent som frie nøytroner. Denne formen for radioaktiv nedbrytning (betastråling) forekommer også i noen atomkjerner. Partikler i kjernen er vanligvis resonanser mellom nøytroner og protoner som omformes ved emisjon og absorpsjon av pioner.
Et nøytron er klassifisert som et baryon, og består av to nedkvarker og en oppkvark. Nøytronets antimaterieekvivalent er antinøytronet.

Antallet nøytroner bestemmer isotopen av et grunnstoff. For eksempel har karbon-12 6 protoner og 6 nøytroner, mens karbon-14 har 6 protoner og 8 nøytroner. Isotoper er atomer av samme grunnstoff med samme atomtall, men forskjellige masser på grunn av et forskjellig antall nøytroner.

Vekselvirkninger

Nøytronet vekselvirker gjennom alle fire standardformer av fysisk vekselvirkning: elektromagnetisk kraft, svak kjernekraft, fargekraft og gravitasjonskraft.

Selv om nøytronet har null netto ladning, er det likevel sammensatt av elektrisk ladde kvarker, på samme måte som et nøytralt atom er sammensatt av ladde protoner og elektroner. Derfor påvirkes nøytronet gjennom elektromagnetisk vekselvirkning. Nettoladningen er null, slik at hvis man er så langt unna nøytronet at det synes å ikke ha volum, vil totaleffekten av den elektriske kraften bli null. Derimot vil ikke bevegelsen av ladninger inni nøytronene utlikne hverandre, og det er dette som gir nøytronet sitt magnetiske dipolmoment.

Gravitasjon omtales oftest ikke i forbindelse med nøytroner. Det skyldes at nøytroner vanligvis studeres med hensyn til subatomære vekselvirkninger. I den subatomære verden er gravitasjonen uvesentlig i forhold til de tre andre kreftene, som er mye sterkere over korte avstander.

Ladde partikler (som protoner, elektroner eller alfa-partikler) og elektromagnetisk stråling (som gammastråler) taper energi når de passerer gjennom materie. De utøver elektriske krefter som ioniserer atomer i materialet de passerer. Energien som tas opp gjennom ionisering er lik energien som tapes av den ladde partikkelen, som dermed taper fart eller, i gammastrålens tilfelle, blir absorbert eller spredt (se Comptoneffekten). Det nøytrale nøytronet skaper derimot ingen ionisering av atomer som det passerer.

Det samme er ikke tilfelle med kjernekrefter. De spiller stor rolle når nøytroner passerer gjennom vanlig materie. Et fritt nøytron vil fortsette på sin vei frem til det kolliderer med en atomkjerne.
Når dette skjer, kan nøytronene og kjernen spres (avbøyes eller saktnes ned), absorberes, eller transformeres til noe annet. For eksempel i reaksjonen n + 3He → 1H + 3H, ser det ut til at protonet og nøytronet har byttet plass, og kinetisk energi frigjøres. I mange tilfeller dannes sekundære partikler, og energi kan brukes opp eller frigjøres. (Tegnforklaring: n=nøytron; 3He = kjerne bestående av to protoner og et nøytron; 1H = kjerne bestående kun av et proton; 3H = kjerne bestående av et proton og to nøytroner.)

Nøytroner, likesom andre partikler, kan gjennomgå elastiske kollisjoner. En kollisjon er elastisk hvis summen av kinetisk energi bevares i alle retninger. For eksempel gjennomgår biljardkuler tilnærmet elastiske kollisjoner med hverandre. Bevaringsloven for bevegelsesmengde gjelder også, som i enhver kollisjon. Hvis kjernen som blir truffet i en elastisk kollisjon er tung, får den relativt liten fart, men hvis den kun består av et proton, med omtrent samme masse som nøytronet, kan det bli skutt fremover med en stor del av den opprinnelige farten til nøytronet, som selv mister fart.

Påvisning av nøytroner

Den vanlige måten å påvise en ladet partikkel, ved å lete etter spor av ionisering, virker ikke direkte for nøytroner. Nøytroner som elastisk spres av et annet atom kan lage et spor av ionisering som er påviselig, men disse eksperimentene er vanskelige å utføre og andre metoder for å påvise nøtryoner, gjennom å tillate dem å vekselvirke med atomkjerner, brukes oftere.

En vanlig metode for å påvise nøytroner innebærer å omforme energien som frigjøres gjennom slike reaksjoner til elektriske signaler. Nuklidene 3He, 6Li, 10B, 233U, 235U og 239Pu er nyttige til dette.

Anvendelse

Nøytronet spiller en viktig rolle i mange kjernereaksjoner,for eksempel nøytronaktivisering, som forårsaker radioaktivitet. Kunnskap om nøytroner og deres oppførsel har vært særlig viktig i utviklingen av kjernekraftverk og kjernevåpen.

Utviklingen av «nøytronlinser», basert på totalrefleksjon i hule kapillærrør av glass eller refleksjon fra bulkete aluminiumplater, har drevet pågående forskning innen nøytronmikroskopi og gammastråletomografi

En anvendelse av nøytronemittere er påvisningen av lette kjerner, spesielt hydrogenets i vannmolekyler. Når et raskt nøytron kolliderer med en lett kjerne, mister det en stor andel energi. Ved å måle mengden trege nøytroner som returnerer til sonden med etter å ha blitt reflektert av hydrogenkjerner, kan en nøytronsonde fastslå vanninnholdet i jord.

Nøytronkilder

Siden frie nøytroner er ustabile, kan de kun skapes i kjernedesintegrasjon (nøytronstråling), kjernereaksjoner, og høyenergi-reaksjoner (slik som bakgrunnsstråling eller i akselerator). Frie nøytronstråler kommer fra nøytronkilder gjennom nøytrontransport.

Nøytronenes mangel på elektrisk ladning hindrer ingeniører og de som utfører eksperimenter i å styre eller akselerere dem. Ladde partikler kan akselereres, saktnes ned eller avbøyes ved å bruke elektriske eller magnetiske felt. Men disse metodene har nesten ingen virkning på nøytroner (på et fritt nøytron vil det ha en svak virkning på grunn av det magnetiske momentet).

Oppdagelse

I 1930 fant Walther Bothe og H. Becker i Tyskland at hvis de meget energirike alfapartiklene som sendes ut fra polonium treffer enkelte av de lette grunnstoffene, særlig beryllium, bor eller litium, vil en form for uvanlig gjennomborende stråling oppstå. Til å begynne trodde en at dette var gammastråling, selv om den var mye mer gjennomborende enn noen kjent form for gammastråling, og tross at detaljene i eksperimentelle resultater ble svært vanskelige å tolke på dette grunnlaget. Det neste viktige bidraget ble rapportert i 1932 av Irène Joliot-Curie og Frédéric Joliot i Paris. De viste at hvis denne ukjente strålingen traff parafin eller en annen forbindelse som inneholdt hydrogen, ville det sendes ut protoner med meget høy energi. Dette var ikke i seg selv uoverensstemmende med antakelsen at det var gammastråling, men detaljerte kvantitative analyser av dataene ble vanskeligere å forene med en slik hypotese. 

Endelig, senere i 1932, utførte fysikeren James Chadwick i England en rekke eksperimenter som viste at gammastråling-hypotesen var utilstrekkelig. Han foreslo at den nye formen for stråling bestod av partikler uten ladning, og med noenlunde lik masse som protonet. Han gjennomførte en rekke eksperimenter som bekreftet denne teorien. Slike uladde partikler ble etterhvert kalt «nøytroner», tydeligvis fra den latinske stammen for neutral og den greske endelsen -on (slik som i elektron og proton).

Antinøytron

Antinøytronet er nøytronets antipartikkel. Det ble oppdaget av Bruce Cork i 1956 ett år etter antiprotonet.

Masseforholdet mellom nøytron og antinøytron tilsvarer én del i (9±5)×10-5.

Se også
 partikkelfysikk
 kvarkmodell
 kjemi
 nøytronstjerne
 nøytrontransport
 tetranøytron

Referanser

Eksterne lenker 

 Om protoner og nøytroner, fra hyperphysics, Georgia State University (engelsk)

Partikkelfysikk