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 arka planı, yani sayıca küçük bir akıya sahip dünyada oluşan serbest nötronlar, kozmik ışın sağanakları (İng: ) ve Dünya'nın yerkabuğundaki kendiliğinden bölünebilen elementlerin doğal radyasyonu yüzünden oluşur.

 Atom çekirdeğinde nötron 
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. Bir atom çekirdeğinin kütlesi her zaman onu oluşturan nükleonların toplam kütlesinden biraz daha azdır. Aradaki fark, kütle-enerji eşdeğerliği yüzünden nükleer bağlanma enerjisi olarak ortaya çıkar.Giancoli, Douglas C. (1984). General physics. Englewood Cliffs, N.J: Prentice-Hall. ISBN 978-0-13-350884-0. OCLC 1033640549.

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.

Protonlar ve nötronlar atom çekirdeği içinde nükleer kuvvetin etkisiyle neredeyse tamamen aynı şekilde davranırlar. Proton ve nötronun aynı parçacığın iki kuantum durumu olarak görüldüğü izospin kavramı nükleonların nükleer veya zayıf kuvvetle etkileşimlerini modellemek için kullanılır.

 Nükleer enerji 
Nükleer kuvvetin kısa mesafedeki güçlü etkisi yüzünden nükleonların bağlanma enerjileri elektronların atoma bağlanma enerjilerinden daha fazladır. 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.Glasstone, Samuel; Dolan, Philip J., eds. (1977), The Effects of Nuclear Weapons (3rd ed.), U.S. Dept. of Defense and Energy Research and Development Administration, U.S. Government Printing Office, ISBN 978-1-60322-016-3 Daha sonra pozitif yüklü hafif nüklitler birbirlerini iterek elektromanyetik potansiyel enerjiyi serbest bırakır."Nuclear Energy". Physics 250: Modern Physics. The University of Tennessee Department of Physics and Astronomy. Archived from the original on 20 February 2020. Retrieved 1 May 2024. Eğer bu reaksiyon bir fisilde gerçekleşirse ek nötronlar zincirleme nükleer reaksiyonunu da içeren yeni nükleer fisyon olaylarına neden olabilir. Belirli bir miktarda fisil, bunun gibi nükleer reaksiyonlarla aynı miktarda geleneksel bir kimyasal patlayıcının ortaya çıkaracağı enerjinin yaklaşık olarak 10 milyon katı enerjiyi açığa çıkarır. Sonuç olarak nükleer kuvvetin nükleer bileşenlerin birbirlerini elektromanyetik itmelerinden kaynaklanan enerjiyi depolayabilmesi nükleer reaktörleri ve bombaları mümkün kılan enerjiyi sağlar. Fisyonda ortaya çıkan enerjinin çoğunu fisyondaki parçacıkların kinetik enerjisi sağlar.

 Beta bozunumu 
Nötronlar ve protonlar çekirdekte benzer davranırlar ve benzer reaksiyonlarla birbirlerine dönüşebilirler. Bu reaksiyonlar beta bozunumu olarak bilinen radyoaktif bozunumdur.Basdevant, J.-L.; Rich, J.; Spiro, M. (2005). Fundamentals in Nuclear Physics: From Nuclear Structure to Cosmology. Springer. ISBN 978-0-387-01672-6. Zayıf kuvvet aracılığıyla gerçekleşen beta bozunumunda ya nötronlar protona bozunur ya da protonlar nötrona bozunur. Beta bozunumu elektron ve nötrinoların veya bunların anti parçacıklarının soğurulmasını veya yayımlanmasını gerektirir.Loveland, W. D. (2005). Modern Nuclear Chemistry. Wiley. p. 199. ISBN 978-0-471-11532-8. Archived from the original on 2024-05-01. Retrieved 2024-05-01. Nötron ve proton bozunumları şöyledir:

burada ,  ve  sırasıyla bozunum ürünleri olan protonu, elektronu ve anti elektron nötrinosunu belirtir.Particle Data Group Summary Data Table on Baryons . lbl.gov (2007). Retrieved on 2012-08-16.

burada , , and  sırasıyla bozunum ürünleri olan nötronu, pozitronu ve elektron nötrinosunu belirtir.

Bu reaksiyonlarda ortaya çıkan elektron ve pozitron tarihsel olarak sırasıyla β− ve β+olarak gösterildi. Bu gösterim bozunum sürecinin adının beta bozunumu olmasına yol açtı. Bu reaksiyonlarda orijinal parçacık ürünlerin bir bileşimi değildir, bunun yerine ürün parçacıkları reaksiyonda aniden oluşmuşlardır.Abraham Pais (1991). Niels Bohr's Times: In Physics, Philosophy, and Polity. Oxford University Press. ISBN 0-19-852049-2.

 Serbest nötron 
Serbest nötronlar herhangi bir çekirdekte bulunmazlar. 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-½Basdevant, J.-L.; Rich, J.; Spiro, M. (2005). Fundamentals in Nuclear Physics. Springer. p. 155. ISBN 978-0-387-01672-6. fermiyonlardır. Nötronların ölçülebilir bir elektrik yükü yoktur. Pozitif yükleri sayesinde protonlar elektrik alandan doğrudan etkilenebilirken, nötronlar elektrik alandan etkilenemez.Arimoto, Y.; Geltenbort, S.; et al. (2012). "Demonstration of focusing by a neutron accelerator" . Physical Review A. 86 (2): 023843. Bibcode:2012PhRvA..86b3843A. doi:10.1103/PhysRevA.86.023843. Archived from the original on January 18, 2015. Retrieved May 9, 2015. Fakat nötronlar manyetik momente sahip olduklarından manyetik alandan etkilenirler.Oku, T.; Suzuki, J.; et al. (2007). "Highly polarized cold neutron beam obtained by using a quadrupole magnet". Physica B. 397 (1–2): 188–191. Bibcode:2007PhyB..397..188O. doi:10.1016/j.physb.2007.02.055.

Serbest haldeki nötronlar kararsızdır (yaşam süreleri sınırlıdır) ve 14 dakika 38 saniyelikR.L. Workman et al. (Particle Data Group), Prog.Theor.Exp.Phys. 2022, 083C01 (2022) and 2023 update. https://pdg.lbl.gov/2023/listings/rpp2023-list-n.pdf . Gives value of 878.4 ± 0.5s; half-life is not given. bir ortalama yaşam süreleri vardır. Bu yaşam süresi, 10 dakika 11 saniyelik bir yarı ömür anlamına gelir. Nötronun kütlesi protonun kütlesinden  daha fazla olması beta eksi bozunumu için gerekli enerjiyi sağlar. Bozunum sırasında oluşan parçacıklar (proton, elektron ve anti nötrino) nötronun enerjisinin, elektrik yükünün ve lepton sayısının korunmasını sağlar.Wietfeldt, Fred E.; Greene, Geoffrey L. (2011-11-03). "Colloquium : The neutron lifetime". Reviews of Modern Physics. 83 (4): 1173–1192. Bibcode:2011RvMP...83.1173W. doi:10.1103/RevModPhys.83.1173. ISSN 0034-6861. Elektron  değerine kadar kinetik enerji kazanabilir.

Hâlâ tam olarak açıklanmamış olmakla birlikte, nötronun ortalama yaşam süresini ölçmek için kullanılan "şişe" ve "ışın" yöntemleri yaşam süresi için farklı değerler vermektedir. Bu yöntemlerden "şişe" yöntemi "soğuk" nötronları bir şişede kullanarak ölçüm yaparken "ışın" yöntemi parçacık ışınındaki enerjili nötronları kullanır. Bu iki yöntemle yapılan ölçümlerde elde edilen veriler zamanla birbirine yaklaşmadı. "Şişe" yöntemiyle elde edilen veri 877.75"How Long Does a Neutron Live?". California Institute of Technology. 2021-10-13. Archived from the original on 2021-10-13. Retrieved 2021-10-14.UCNτ Collaboration; Gonzalez, F. M.; Fries, E. M.; Cude-Woods, C.; Bailey, T.; Blatnik, M.; Broussard, L. J.; Callahan, N. B.; Choi, J. H.; Clayton, S. M.; Currie, S. A. (2021-10-13). "Improved Neutron Lifetime Measurement with UCNτ" . Physical Review Letters. 127 (16): 162501. arXiv:2106.10375. Bibcode:2021PhRvL.127p2501G . doi:10.1103/PhysRevLett.127.162501. PMID 34723594.  S2CID 235490073. Archived from the original on 2024-04-01. Retrieved 2024-04-01. saniyeyken "ışın" yöntemiyle elde edilen veri 887.7Anonymous (2013-11-27). "Discrepancy in Neutron Lifetime Still Unresolved" . Physics. 6. Bibcode:2013PhyOJ...6S.150.. doi:10.1103/Physics.6.s150. Archived from the original on 2023-08-18. Retrieved 2024-04-01. saniyedir.

Serbest nötronların bozunumunda küçük bir kısmında (%1) eksi beta bozunumu ürünlerine ek olarak bir gama ışını ortaya çıkabilir:

Gama ışınının yayımlanan beta parçacığı ve protonun elektromanyetik etkileşiminden oluşan "bremsstrahlung" dolayısıyla oluştuğu düşünülebilir.Fisher, BM; et al. (2005). "Detecting the Radiative Decay Mode of the Neutron" . J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 110 (4): 421–425. doi:10.6028/jres.110.064. PMC 4852828 . PMID 27308161. 

Serbest nötron bozunumlarının milyonda dördünde nötron başlangıçta eksi beta bozunumuyla bozunur. Bu bozunum türünde bozunum sonrasında elektron protondan ayrılabilmesi için gereken bağlanma enerjisi olan   değerindeki enerjiyi (hidrojenin iyonlaşma enerjisi) almayı başaramaz ve sonuç olarak elektronun protona bağlanmasıyla hidrojen oluşur. Bu bozunum türünde bozunum enerjisinin neredeyse tamamı anti nötrino tarafından taşınır.

Uygulamalar

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.Physorg.com, "New Way of 'Seeing': A 'Neutron Microscope'" . Physorg.com (2004-07-30). Retrieved on 2012-08-16."NASA Develops a Nugget to Search for Life in Space" . NASA.gov (2007-11-30). Retrieved on 2012-08-16.

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.

Tıbbi tedaviler
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.Hall EJ (2000). Radiobiology for the Radiologist. Lippincott Williams & Wilkins; 5th edition Nötron radyasyonu, kanserli bölgeye gama radyasyonu'ndan daha büyük bir oranda enerji verebilir.Johns HE and Cunningham JR (1978). The Physics of Radiology. Charles C Thomas 3rd edition

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.

 Ayrıca bakınız 
 İzotop
 Güçlü etkileşim
 Baryonlar listesi

 Kaynakça