Neutroni

Neutroni
Symboli	n
Rakenne	1 u-kvarkki ja 2 d-kvarkkia
Perhe	Fermioni
Vuorovaikutus	Heikko vuorovaikutus, Vahva vuorovaikutus, Gravitaatio
Massa	939.565560(81)MeV/c2 1,67492729(28) × 10-27 kg 1,0086649156(6) u
Elinaika	vapaana 885.7(8) s
Sähkövaraus	0 e
Spin	1/2
Infobox OK

Neutronit ovat sähkövarauksettomia hiukkasia, jotka yhdessä protonien kanssa muodostavat atomiytimet (lukuun ottamatta vedyn yksinkertaisinta isotooppia, protiumia, joka koostuu vain yhdestä protonista). Neutroni kuuluu baryoneihin, ja se muodostuu kolmesta alkeishiukkasesta, kahdesta alas-kvarkista sekä yhdestä ylös-kvarkista. Neutronista ja protonista käytetään myös yhteisnimitystä nukleoni.

Neutronin ominaisuudet

• Massa eri yksiköissä:
  • 1,0086649156 ± 0,0000000006 u
  • 939,56536 ± 0,00008 MeV/c²
  • noin 1,6749 × 10^-27 kg
• Spin: ½
• Kvarkkikoostumus: udd
• Keskimääräinen elinikä: 885,7 ± 0,8 s
• Magneettinen momentti: −1,9130427 ± 0,0000005 μN
• Sähkövaraus: neutraali (0 C)
• Säde: noin 1,3 × 10^-15 m

Neutronin stabiilisuus

Ytimen ulkopuolella neutroni on epästabiili ja hajoaa spontaanisti protoniksi, elektroniksi sekä antineutriinoksi (beeta-miinus-hajoaminen):

${\hbox{n}}\to {\hbox{p}}+{\hbox{e}}^{-}+{\overline {\nu }}_{\mathrm {e} }$

Tämän beeta-miinus-hajoamisen puoliintumisaika on T_½ = 885,7 ± 0,8 sekuntia (n. 15 minuuttia). Vastaava hajoamisreaktio voi tapahtua myös joissakin radioaktiivisissa atomeissa (erityisesti isotoopeissa, jotka sisältävät protonien lukumäärään nähden reilusti neutroneja). Stabiileissa ytimissä tätä hajoamista ei tapahdu, ei myöskään neutronitähdissä, joissa neutronit ovat yhtä tiheässä kuin atomiytimissä.

Vuorovaikutukset

Neutroni vuorovaikuttaa kaikkien neljän perusvuorovaikutuksen kautta.

• Sähköisesti varautumattomalla neutronilla on magneettinen momentti ja sen rakennusosaset, kvarkit, ovat sähköisesti varautuneita. Sähkömagneettinen vuorovaikutus on merkittävä lähinnä sirontakokeissa ja silloin, kun neutroni on magneettikentässä.
• Gravitaatio vaikuttaa neutroniin, kuten kaikkiin massallisiin hiukkasiin, mutta hiukkastasolla sen voimakkuus on yleensä häviävän pieni.
• Heikko vuorovaikutus aiheuttaa neutronin beetahajoamisen.
• Vahva vuorovaikutus on yleensä suurin neutroniin vaikuttava voima. Se sitoo kvarkit yhteen neutroniksi ja toisaalta myös neutronit ytimeen.

Neutronien sovellukset

Neutroneilla on merkittävä osa sekä rauhanomaisen ydinvoiman kuin ydinaseenkin toiminnassa. Molemmissa ketjureaktio saadaan aikaan neutronien avulla, siten että fissioreaktioissa syntyvät neutronit aiheuttavat uusia reaktioita osuessaan polttoaineytimiin. Reaktion nopeutta voidaan siis säädellä säätämällä neutronivuon voimakkuutta reaktoriin sijoitettavan, neutroneja absorboivan aineen avulla (esimerkiksi säätösauvat).

Neutroneja voidaan käyttää myös aineen rakenteen tutkimiseen samaan tapaan kuin röntgensäteitä, sillä varauksettomina hiukkasina ne tunkeutuvat varsin syvälle aineeseen. Ominaisuutta on myös hyödynnetty lääketieteessä esimerkiksi BNCT-hoidoissa. Vapaita neutroneja syntyy kuitenkin vain ydinreaktioissa, joten neutronilähteiden saatavuus rajoittaa neutronien käyttöä näihin tarkoituksiin.

Historiaa: Neutronin löytäminen

Vuonna 1930 tutkijat Walther Bothe ja H. Becker havaitsivat, että energisten alfahiukkasten osuessa tiettyihin alkuaineisiin, etenkin berylliumiin, poloniumiin ja litiumiin, syntyi erittäin läpitunkevaa säteilyä, jota luultiin aluksi gammasäteilyksi. Kaksi vuotta myöhemmin Irène Joliot-Curie ja Frédéric Joliot huomasivat, että tämä säteily, osuessaan vetyä sisältäviin yhdisteisiin, tuotti korkeaenergiaisia protoneja. Jos kyseessä olisi ollut gammasäteily, olisi sen energian täytynyt olla huomattavasti korkeampi kuin koskaan aiemmin oli havaittu ja suurempi kuin säteilyn synnyttävistä reaktioista saatava energia. Myöhemmin samana vuonna James Chadwick näytti, että energian säilymisongelma ratkeaa, jos kyseessä onkin protonin kanssa yhtä suuren massan omaava, sähköiseltä varaukseltaan neutraali hiukkanen, jolle myöhemmin annettiin nimeksi "neutroni".

Lähteet

• W.-M. Yao et al (Particle Data Group): Review of Particle Physics. Journal of Physics G, 2006, nro 33, s. 70-83.