Neutron

Neutroni izazivaju lančanu reakciju

Neutron je nenaelektrisana čestice unutar atoma. Njegov simbol je n. Nalazi se u atomskom jezgru. Ima masu od 1,293 MeV (za oko 0,14% više od protona). Spin neutrona je 1/2, pa tako podliježe Fermi-Diracovoj kvantnoj statistici, a ubraja se u barione.

Otkriće

Prve temelje postavio je 1930. Walther Bothe sa svojim studentom Herbertom Beckerom. Otkrili su jako elektromagnetno zračenje, koje su emitovali atomi berilija nakon što su ozračeni alfa-zracima atoma polonija, koje su prvenstveno uvrstili u gama zrake. Kasnije 1931. bračni par Curie (Irène i Frédéric) su ponovili eksperiment koristeći komoru za ionizaciju. Zračnje koje je emitovano nazvali su berilij zrake. James Chadwick, učenik Rutherforda, bio je mišljenja da se ne radi o berilij zračenju već o nepoznatim česticama. Rutheford je već 12 godina ranije smatrao da u atomskom jezgru mora postojati neutralna čestica.

Atomsko jezgro

Neutron je sastavna čestica svakog hemijskog elementa, s izuzetkom vodika čije se jezgro sastoji samo od jednog protona. Broj neutrona, budući da imaju gotovo istu masu kao protoni, odlučuje o kojem elementu kao i izotopu se radi. Svako atomsko jezgro koje broji 1 do 82 protona (tehnecij je izuzetak) može uz određeni broj neutrona ostati stabilno. Ukoliko se broj neutrona smanji ili poveća atomsko jezgro postaje nestabilno. Broj protona i neutrona, kod izotopa sa stabilnim jezgrom, ostaje isti sve do kalcija. Dalje, s većim rednim brojem, broj neutrona raste i na 1,5 više od broja protona. Kod elemenata s više od 83 protona (bizmut) nema više stabilnog jezgra.

Životni vijek

Jedan slobodni neutron održava se u prosjeku oko 15 m (855 s). Tačna vrijednost nije poznata jer su pouzdana mjerenja veoma zahtjevna.

Sile

Jaka i elektromagnetna sila

Među neutronima vlada jaka sila, koja je inače ograničena samo u radijusu atomskog jezgra, neutroni se za razliku protona ne odbijaju međusobno. Elektromagnetna sila iako slabi s kvadratom odstojanja nije ograničena na razdaljinu.

Vrste neutrona

Postoje: slobodni, spori, brzi:

  • Slobodni neutroni su u stanju da izazovu lančanu reakciju, a mogu ih i apsorbirati atomska jezgra.
  • Spori ili termički neutroni bivaju apsorbirani od atomskih jezgra emtirajući gama kvante.
  • Brzi neutroni izazivaju također lančane reakcije, prilikom toga nastaju radionuklidi.

Primjena i utjecaj na materiju

Oružje i energetika

Neutroni se primjenjuju kod nuklearnih reakcija (atomska bomba i elektrane). Neutronsko zračenje pogoršava osobine metala, te dovodi do kraćeg vijeka trajanja opreme u atomskim elektranama.

Medicina

Zračenje je štetno za živu materiju, upotreba u radioterapiji ograničava se na posebne slučajeve.

Neutrino

 

Neutrino je elementarna čestica. Spada u leptone, nema naelektrisanje, spin je polubrojni {\displaystyle {\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\hbar \end{matrix}}}) pa spada u fermione. Sva do sada opažena neutrina su leve heličnosti (t.j., realizovano je samo jedno od dva moguća spinska stanja; helicitetom se izražava projekcija spinskog momenta na pravac kretanja). Dugo se verovalo da nema masu, međutim, postoje indikacije da neutrino ipak ima masu, mada vrlo malu. Postojanje neutrina je postulirao Wolfgang Pauli, ime im je dao Enrico Fermi, a eksperimentalno ih registrovao Frederick Reines 1956, za šta je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1995. godine.

Postoje tri vrste neutrina:

  • elektronski neutrino νe,
  • mionski neutrino νμ i
  • tau neutrino ντ

koji su dobili imena prema leptonima koji su im parovi u standardnom modelu (pogledati tablicu). Trenutno najbolji način za određivanje broja vrsta neutrina je posmatranje raspada Z bozona. Ova čestica se raspada u bilo koji neutrino i odgovarajući antineutrino, i što ima više vrsti neutrina to je kraći život Z bozona. Poslednja merenja pokazuju da je broj lakih neutrina (“lakih” znači mase manje od pola mase Z bozona) jeste 2,984±0,008.

Postoje eksperimenti koji ukazuju na mogućnost postojanja neutrina koji ne učestvuju u slaboj nuklearnoj sili, znači koji nisu u vezi sa raspadom Z bozona. Saglasnost između postojanja šest kvarkova i šest leptona po standardnom modelu, među njima i tri neutrina, daje dodatne dokaze da postoji tačno tri vrste. Ipak, konačan i ubedljiv dokaz da postoje samo tri vrste neutrina ostaje neuhvatljiv cilj fizike subatomskih čestica.

Dugo se verovalo da neutrini različitih vrsta ne mogu da se pretvore jedan u drugi. Zapravo mogli bi, ali pod uslovom da imaju vrlo malu masu. Zaista ti prelazi, neutrinske oscilacije, su opaženi 1998. za šta su godine 2002. Rejmond Dejvis mlađi i Masatoši Košiba dobili deo Nobelove nagrade za fiziku.

Istorija

Pretpostavku da postoji neutrino prvi je izneo 1931. godine Volfgang Pauli da bi objasnio energijski spektar beta raspada, tj. prelazak neutrona u proton i zatim elektron. Pauli je pretpostavio da postoji neka čestica koja odnosi razliku između energije i ugaonog momenta početnih i krajnjih čestica. Zbog njihovih fantomskih svojstava, prva detekcija neutrina je morala da sačeka još 25 godina od kad je njihovo postojanje predloženo. Godine 1956., Klajd Kovan, Frederik Rejns, F. B. Harison, H. V. Kruz i A. D. Megvajer su objavili članak pod nazivom Detekcija Slobodnog Neutrina: Potvrda. Ovaj članak je nagrađen Nobelovom nagradom za naučna dostignuća 1995. godine. Naziv neutrino je dao Enriko Fermi, koji je razvio prvu teoriju o interakcijama neutrina. Naziv neutrino je igra reči od engleskog neutrone, preko italijanskog neutrino. Neutron znači veliki i neutralan, a neutrino mali i neutralan. Da postoji više vrsta neutrina pokazli su 1962. godine Leon Lederman, Melvin Švarc i Džek Štajnberger. Naime, primećene su prve interakcije mionskog neutrina. Kada je treći lepton, tau lepton, pronađen 1975. godine u Stanfordskom linearnom akceleratoru, takođe se pretpostavljalo da i on ima odgovarajući neutrino. Naime, ova treća čestica je pronađena na sličan način kao i prva, tj. praćenjem nedostajuće energije i momenta u tau raspadu. Podsetimo se, prva posmatranja su vršena kod beta raspada. Tau neutrino je prvi put direktno detektovan tek 2000. godine. To je zapravo čestica koja je najkasnije otkrivena direktnim posmatranjem.

Masa

Standardni model fizike čestica govori o neutrinima kao o česticama bez mase. Međutim, svaki dokaz o oscilaciji neutrina pobija ovu pretpostavku. Oscilacije neutrina, očigledne i toliko puta dokazane, zahtevaju nenulte mase (engl. non-zero masses), odnosno prisustvo mase kod ovih čestica.

Kako se ovo dokazuje? Najjači argument da neutrini imaju masu dolazi iz kosmologije, tj. još od velikog praska. Ovaj model predviđa da postoji stalni odnos između broja neutrina i broja fotona na kosmičkoj mikrotalasnoj pozadini. Ukoliko bi totalna energija sva tri tipa neutrina prevazilazila standardnih 50 eV po neutrinu, bilo bi mnogo više mase u svemiru, te bi se on urušio. Ova granica se može donekle prevazići pretpostavkom da je neutrino nestabilan; međutim, sam Standardni model dovodi to u pitanje skoro eliminišući nestabilnost kao mogućnost. Standardni model govori da suma masa neutrina mora biti manja od 0,3 eV (Gubar, 2006.). Svemu ovome je 1998. stao na kraj Super-Kamiokande detektor neutrina koji je otkrio da oni zaista osciluju, te iz toga nužno sledi da imaju mase. Ova dokazivanja i detekcije Super-Kamiokandea pokazuju da najteži neutrino mora imati masu od oko 0,05 eV, u krajnjem slučaju ne više od 0,3 eV. Naravno, postoje izvesna odstupanja između takozvanih stanja masa 1 i 2 (kada se računaju kvadrati) koja se dobijaju jednačinom:

{\displaystyle \Delta m_{12}^{2}=0,000079eV^{2}}

Godine 2006. izveden je MINOS eksperiment kojim su mereni kvadrati masa između stanja mionskog neutrina 2 i 3. Analiziran je intenzivnu? mionski snop, i dobijeni rezultati su se poklopili sa onima od Super-Kamiokandea. Dobijaju se po jednačini:

{\displaystyle \Delta m_{23}^{2}=0,0031eV^{2}}

Izvori neutrina

Uticaj ljudi

Što se tiče uticaja čoveka na stvaranje neutrina, nuklearne elektrane su glavni emiteri. Antineutrini nastaju u toku beta raspada neutronima bogatih fragmenata nastalih u toku fisije. Uglavnom, glavna četiri izotopa za stvaranje fluksa antineutrina su uranijum-235, uranijum-238, plutonijum-239 i plutonijum-241. Prosečna nuklearna elektrana emituje i do 1020 neutrina u sekundi.

Neki akceleratori čestica se koriste za pravljenje usmerenih mlazeva neutrina. Naime, u ovoj tehnici protoni s velikim brzinama sudaraju sa nepokretnom metom, kada nastaju pioni i kaoni. Ove nestabilne čestice se zatim usmeravaju u dugačak tunel gde se raspadaju u toku leta.

Nuklearne bombe takođe proizvode velike količine neutrina. Fred Rejns i Klajd Kovan su prvo pretpostavili da će naći neutrine kod bombe, a tek kasnije je pažnja skrenuta na reaktore.

Zemlja

Neutrini takođe nastaju kao posledica pozadinske radijacije. Naročito emituju snopove neutrina raspadi jezgara urana-238 i torijuma-232. Ovde ubrajamo i kalijum-40 koji emituje antineutrine. Ovi takozvani geoneutrini mogu da daju značajne podatke o Zemljinoj unutrašnjosti. Prva pretpostavka o postojanju geoneutrina je načinjena 2005. godine od strane KamLAND-a.

Atmosferski neutrini

Atmosferski neutrini su rezultat interakcije kosmičkih zraka sa atomskim jezgrima u Zemljinoj atmosferi, pri čemu nastaje kiša čestica od kojih su mnoge nestabilne. Ova nestabilnost je uzrok nastajanju neutrina. Nestabilna jezgra se raspadaju i emituju neutrine. Prva interakcija je detektovana 1965. godine u KGF rudnicima.

Solarni neutrini

Solarni neutrini potiču od nuklearne fuzije koja napaja Sunce i sve zvezde. Takođe, oni su nusprodukt supernova (kod ovih događaja, pritisak u jezgru postaje toliki da degeneracija elektrona nije dovoljna da zaustavi protone i neutrone da se kombinuju i stvore jedan neutron i neutrino). Ovu vrstu emisije neutrina su otkrili Rejmond Dejvis Mlađi i Masatoši Košiba, za šta im je dodeljena Nobelova nagrada iz fizike 2002. godine.

Kosmička pozadinska radijacija

Pretpostavlja se da kosmička pozadinska radijacija preostala od Velikog praska u sebi sadrži neutrine malih energija. Osamdesetih godina dvadesetog veka se mislilo da je ovo objašnjenje za postojanje tamne materije. U odnosu na ostale kandidate za tamnu materiju, neutrini su imali jednu prednost: naučnici su znali da oni postoje. Međutim, i u ovoj teoriji postoje problemi.

Detekcija neutrina

Neutrini mogu da intereaguju preko neutralne struje uključujući razmenu Z bozona, ili preko električne struje uključujući razmenu W bozona. U prvom slučaju, neutrino napušta detektor nakon što je preneo nešto svoje energije i momenta čestici meti. Sva tri spina neutrina ovde mogu učestvovati bez obzira na energiju neutrina. U drugom slučaju, neutrino se transformiše u njegovu partner-česticu (mion, elektron ili tau). Međutim, ako neutrino nema dovoljno energije da je pretvori u masu svoje teže partner-čestice, energija promenjenog toka mu je nedostupna. Solarni i neutrini raznih reaktora imaju dovoljno energije da izvrše ovaj prelaz u elektron.

Neki detektori neutrina su:

  • Antarctic Muon And Neutrino Detector Array
  • Project DUMAND
  • Super-Kamiokande
  • KamLAND
  • LSND
  • MiniBooNE
  • SNO
  • IceCube Neutrino Detector
  • MINOS

Literatura

S. Jokić, SUBATOMSKA FIZIKA, Institut za nuklearne nauke Vinča, Beograd, 2000.

Izvor: Wikipedia

Advertisements