Neutron

Dalam fizik, neutron merupakan zarah subatom yang tidak mempunyai cas elektrik berjisim 939.573 MeV/c² (1.6749 × 10-27 kg). Putaran neutron adalah ½. Anti-zarahnya dikenali sebagai antineutron. Secara kolektif, neutron dan proton adalah nukleon. Semua nukleus atom terdiri daripada neutron dan proton, kecuali satu isotop hidrogen bernama protium yang hanya mengandungi satu proton.

Huraian 
Neutron tunggal berjisim sebanyak 939,565,413.3 eV/c2 atau 1.674927471×10−27 kg atau 1.00866491588 u. Neutron memiliki jejari ganda dua purata sebanyak 0.8×10−15 m atau 0.8 fm. Nilai spin neutron ialah +½. Neutron tidak memiliki sebarang cas elektrik yang boleh diukur. Neutron mempunyai momen magnet dan oleh itu, terpengaruh dengan medan magnet, dan momen magnet neutron adalah negatif kerana orientasi momen magnet adalah bertentangan dengan spin neutron.

Suatu neutron bebas adalah tidak stabil, dengan jangka hayat selama kurang daripada 15 minit. Neutron yang bebas mereput menjadi proton, elektron dan antineutrino, yakni pereputan beta. Neutron atau proton yang terikat dalam nukleus adalah stabil atau tidak stabil, bergantung dengan nuklida. Pereputan beta dikawal oleh daya nukleus lemah, dan memerlukan pancaran atau penyerapan elektron dan neutrino, atau versi antizarah bagi zarah-zarah itu.

Neutron dikelaskan sebagai zarah hadron kerana zarah ini terhasil daripada gabungan kuark. Selain itu, neutron juga dikelaskan sebagai zarah barion kerana terdiri daripada tiga kuark valens. Sebuah neutron memiliki dua kuark turun dengan cas −​1⁄3 e dan satu kuark naik dengan cas +​2⁄3 e. Kuark-kuark dalam neutron terikat oleh daya nukleus kuat yang dikawal oleh gluon.

Sejarah

Penamaan 
Perkataan neutron terbit daripada kata dasar Latin, neutralis (neutral) yang ditambah dengan akhiran Yunani -on, dan dicadang oleh pengasas teori neutron, Ernest Rutherford pada awal abad ke-20. Namun begitu, perkataan ini telah digunakan dalam bidang fizik atom sejak 1899.

Penemuan 
Pada 1920, Ernest Rutherford mencadangkan teori bahawa nukleus atom terdiri daripada proton serta zarah-zarah bercas neutral, yang disangka beliau sebagai suatu gabungan antara proton dengan elektron. Elektron pada asalnya dikatakan wujud di nukleus kerana pereputan beta melibatkan pancaran elektron dari nukleus.

Sepanjang 1920-an, para ahli fizik menyangka bahawa nukleus terdiri daripada proton dan elektron yang terikat pada nukleus, tetapi teori ini bermasalah, khususnya daripada aspek mekanik kuantum. Konsep nukleus proton-elektron sukar disesuaikan mengikut prinsip ketidaktentuan Heisenberg. Penemuan paradoks Klein oleh Oskar Klein pada 1928 melanjutkan halangan teori ini menurut teori kuantum.

Pemerhatian terhadap atom dan molekul tidak mendatangkan nilai spin yang dijangka daripada hipotesis ini. Proton dan elektron memiliki spin sebanyak ½ ħ. Isotop-isotop unsur sama boleh memiliki nilai spin integer atau pecahan, dan oleh itu, spin neutron sepatutnya bernilai pecahan, ½ ħ. Namun begitu, tiada cara untuk menyusun atur elektron dan proton (yang sepatutnya bergabung untuk membentuk neutron) untuk mendapatkan nilai pecahan spin neutron.

Pada 1931, Walther Bothe dan Herbert Becker mendapati bahawa apabila sinaran alfa daripada polonium mengenai berilium, boron atau litium, suatu sinaran aneh terhasil. Sinaran ini tidak terkesan oleh medan elektrik dan oleh itu, mereka menyangka ini ialah sinaran gama. Pada tahun berikutnya, Irène Joliot-Curie dan Frédéric Joliot-Curie di Paris menunjukkan bahawa apabila "sinaran gama" mengenai parafin atau sebarang sebatian dengan atom hidrogen, proton bertenaga tinggi terpancar, tetapi Rutherford dan James Chadwick di Cambridge tidak setuju dengan tafsiran ini. James Chadwick melakukan beberapa uji kaji yang menunjukkan bahawa sinaran itu terdiri daripada zarah-zarah tidak bercas. Oleh itu, beliau menemui neutron dan memenangi Hadiah Nobel dalam Fizik pada 1935.

Kajian lanjutan 
Model nukleus atom proton-neutron diterbitkan sejurus selepas penemuan ini oleh para ahli fizik. Model ini berjaya menyelesaikan masalah nilai spin pada nukleus. Perihal sinaran beta dihuraikan oleh Enrico Fermi pada 1934 melalui konsep pereputan beta; neutron mereput menjadi proton lalu menghasilkan elektron dan neutrino (masih belum dijumpai pada masa ini). Pada 1935, Chadwick dan pelajarnya Maurice Goldhaber melaporkan ukuran nilai jisim neutron yang tepat yang terawal.

Ciri-ciri fizik

Jisim 
Jisim neutron tidak boleh diukur secara terus melalui spektrometri jisim kerana neutron bercas neutral. Namun, jisim proton dan deuteron (nukleus deuterium) boleh diukur dengan kaedah ini, dan oleh itu, jisim neutron boleh ditentukan dengan menolak nilai jisim deuteron, , dengan nilai jisim proton, , dengan hasil tolak ialah nilai jisim neutron dengan tenaga pengikat deuterium (diwakili oleh tenaga terpancar nilai positif). Tenaga ini boleh diukur secara terus dengan mengukur tenaga foton gama 0.7822 MeV yang terpancar apabila proton menangkap neutron, , serta tenaga kinetik sentakan deuteron (kira-kira 0.06% nilai tenaga), . Secara keseluruhan, pengiraan nilai jisim neutron mengikut kaedah ini boleh dirumuskan dengan persamaan berikut:

Nilai tenaga sinar gama boleh diukur dengan ketepatan yang tinggi melalui kaedah pembiasan sinar-X. Melalui cara ini, setakat pengiraan terbaik (pada 1986), nilai jisim neutron ialah 1.008644904(14) u.

Cas elektrik 
Nilai cas elektrik neutron ialah 0 e. Nilai sifar ini telah diuji melalui eksperimen, dengan had eksperimen bagi cas neutron terkini ialah −2(8)×10−22 e atau −3(13) × 10−41 C. Nilai ini konsisten dengan sifar apabila ketidaktentuan (angka dalam kurungan) diambil kira.

Kegunaan 
Neutron banyak berperanan dalam pelbagai tindak balas neutron. Penangkapan neutron biasanya membawa kepada pengaktifan neutron lalu menghasilkan keradioaktifan. Pembelahan nuklear seperti yang berlaku pada uranium-235 dan plutonium-239 berlaku disebabkan oleh penyerapan neutron oleh unsur-unsur itu.

Satu lagi kegunaan neutron ialah pengesanan nukleus ringan, khususnya atom hidrogen dalam molekul air. Apabila suatu neutron berkelajuan tinggi berlanggar dengan nukleus ringan, neutron akan hilang tenaga yang banyak. Suatu pemancar neutron boleh menentukan kandungan air dalam tanah dengan mengukur kadar kelajuan neutron yang terbias kembali dari nukleus hidrogen ke pemancar.

Perubatan 
Terapi neutron pantas ialah sejenis radioterapi menggunakan pancaran neutron bertenaga tinggi, lazimnya melebihi 20 MeV untuk merawat sel barah. Sinaran neutron dapat memancarkan tenaga ke arah kawasan sel barah dengan kadar lebih tinggi daripada sinaran gama.

Tomografi neutron ialah suatu kaedah tomografi yang boleh dilakukan untuk mendapat rajah tiga dimensi badan, tetapi tidak praktikal kerana sinaran neutron boleh menyebabkan kawasan sekitar menjadi radioaktif.

Keselamatan 
Pendedahan terhadap neutron bebas adalah berbahaya keranan tindak balas neutron dengan molekul pada badan boleh mengganggu molekul dan atom, serta menyebabkan tindak-tindak balas sampingan yang membawa kepada sinaran-sinaran lain seperti proton. Langkah-langkah keselamatan umum perlindungan sinaran tertakluk di sini, iaitu elakkan pendedahan, jauhkan diri daripada sumber, dan pastikan tempoh pendedahan adalah minimum.

Rujukan

Pautan luar 

 

Nukleon
Barion
Neutron