نوترون و کاربردهای آن

نوترون ها ذرات زیر اتمی و یکی از ترکیبات اصلی هسته های اتمی هستند. آنها معمولاً با نماد n یا no نشان داده می شوند.

نوترون ها هیچ بار الکتریکی خالصی ندارند. با این حال، جرم آنها کمی بیشتر از یک پروتون است. نماد الکترون، پروتون، نوترون برای تسهیل تفریق این ذرات در شیمی به وفور استفاده می شود.

به نوترون ها و پروتون ها در مجموع نوکلئون می گویند زیرا رفتار آنها شبیه هسته های اتم ها است. جرم نوترونها را می توان تقریباً به یک واحد جرم اتمی نزدیک دانست. شاخه ای از علم که به مطالعه خواص نوترونها و فعل و انفعالات این ذرات زیر اتمی با مواد دیگر و تابش الکترومغناطیسی می پردازد، فیزیک هسته ای نامیده می شود.

حقایقی در رابطه با نوترون:
خصوصیات هسته ای و شیمیایی کلی یک عنصر معمولاً با تعداد کل پروتون های هسته اتم (عدد اتمی) و تعداد کل نوترون های هسته اتم تعیین می شود. مجموع تعداد کل پروتون ها و تعداد کل نوترونهای هسته اتم، عدد جرمی اتم را نشان می دهد. درس نوترون چیست علوم هشتم به طور کامل به این مباحث پرداخته است.

توجه به این نکته مهم است که ایزوتوپ های مختلف یک عنصر دارای عدد اتمی یکسانی هستند اما از نظر عدد جرمی متفاوت می باشند (این بدان معنی است که همه آنها در هسته اتمی خود دارای تعداد پروتون های یکسان هستند اما در تعداد کل نوترون های موجود متفاوت می باشند). تحقیق در مورد الکترون، پروتون، نوترون خصوصا در فیزیک هسته ای همچنان ادامه دارد و هر روز خواص بیشتری در رابطه با این ذرات زیراتمی کشف می شود.

در داخل هسته اتم، پروتون ها و نوترون ها از طریق نیروهای هسته ای به هم متصل می شوند. برای پایداری هسته های اتمی، وجود نوترون ها یک امر ضروری است. تنها استثنا در این قانون هسته پروتیوم (هیدروژن -1) است. یکی از مهم ترین کاربردهای این ذرات در راکتورهای هسته ای برای تسهیل واکنش های شکافت هسته ای و در بعضی موارد واکنش های همجوشی هسته ای است.

تاریخچه کشف نوترون:
این ذره اتمی اولین بار توسط ارنست رادرفورد، فیزیکدان انگلیسی متولد نیوزیلند در سال 1920 نظریه پردازی شد ولی کشف آنها به جیمز چادویک، فیزیکدان انگلیسی در سال 1932 نسبت داده می شود. وی برای این کشف در سال 1935 جایزه نوبل فیزیک دریافت کرد. در طول دهه 1920، فرض مشترک در مورد ماهیت اتم ها این بود که آنها از پروتون ها و همچنین الکترون های هسته ای تشکیل شده اند.

با این حال، این امر نتوانست با رابطه عدم قطعیت هایزنبرگ در مکانیک کوانتوم مطابقت داشته باشد. در سال 1931، دو فیزیکدان هسته ای آلمانی مشاهده کردند که وقتی تابش ذرات آلفا که توسط پولونیوم ساطع می شود بر روی برلیوم، لیتیوم یا بور تابانده می شود منجر به تولید اشعه ای غیرمعمول خواهد شد.

بعداً، توسط جیمز چادویک طی یک سری آزمایشات ثابت شد که این ذرات تشعشعی نافذ غیرمعمول نوترونها هستند. نوترون، پروتون و الکترون ذرات زیرهسته مهمی در تحقیقات هسته ای می باشند.

بار و جرم نوترون:
نوترون ها ذرات زیر اتمی با بار خنثی هستند. جرم این ذره اتمی تقریباً برابر با 1.008 واحد جرم اتمی است. از آنجا که نوترونها فاقد بار الکتریکی است نمی توان جرم آنها را مستقیماً از طریق روش آنالیز طیف سنجی جرمی تعیین کرد.

جرم no را می توان با کسر جرم یک پروتون از جرم هسته دوتریم محاسبه کرد (دوتریم ایزوتوپ هیدروژن است که ساختار اتمی آن حاوی یک پروتون، یک الکترون و یک نوترون است. از آنجا که جرم الکترون وقتی با پروتون و نوترون مقایسه شود بسیار ناچیز است، جرم نوترونها را می توان با کسر جرم پروتون از جرم اتم دوتریم محاسبه کرد).

نسبت تعداد نوترون به پروتون در هسته اتم های مختلف متفاوت است مثلا نسبت تعداد نوترون ها به پروتون ها در اتم اکسیژن 1 به 1 و در اتم آهن به 15 به 13 است.

ویژگی و خواص نوترون:
علی رغم اینکه نوترونها ذره ای خنثی تلقی می شود ولی گشتاور مغناطیسی نوترون ها برابر با صفر نیست. اگرچه میدان های الکتریکی هیچ تأثیری روی این ذرات ندارند ولی این ذرات زیر اتمی تحت تأثیر وجود میدان های مغناطیسی قرار دارند.

گشتاور مغناطیسی مرتبط با نوترونها را می توان نشانه ای از زیرساختار کوارک و توزیع بارهای داخلی آن دانست. مقدار واقعی گشتاور مغناطیسی نوترونها ابتدا در برکلی، کالیفرنیا، در سال 1940 توسط لوئیس آلوارز و فلیکس بلوخ اندازه گیری شد.

کاربردهای نوترون:
در واکنش های هسته ای، ذرات زیر اتمی نقش بسزایی دارند. به عنوان مثال جداسازی آنها اغلب منجر به فعال شدن نوترون ها شده که به نوبه خود، باعث ایجاد رادیواکتیویته می شود.

دانش و آگاهی در مورد نوترون ها و فعالیت آنها در گذشته برای توسعه بسیاری از راکتورهای هسته ای (و همچنین تولید سلاح هسته ای) از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده است. شکافت هسته ای عناصری مانند اورانیوم 235 و پلوتونیوم 239 تقریباً همیشه ناشی از جذب نوترونهای آنهاست.

تابش نوترون گرم، سرد و داغ کاربرد بسیار مهمی در تأسیسات تفرق نوترونی دارد و از این تابش در تحقیق در رابطه با ماده چگال با کمک اشعه X استفاده می شود. وقتی نوبت به مقایسه های اتمی می رسد، نوترون ها در تهیه مقاطع مختلف پراکندگی، حساسیت به مغناطیس، طیف انرژی برای طیف سنجی نوترونی غیر الاستیک و در نهایت نفوذ عمیق آنها در ماده دوم به عنوان مکمل عمل می کنند.

یکی از مهم ترین کاربردهای نوترونها تحریک اشعه گاما تاخیری و تحریکی از اجزای ماده است. این روش مبنای مطالعه تحلیلی فعال سازی نوترون است که اغلب مخفف NAA است. همچنین مبنای مطالعه تجزیه و تحلیل سریع فعال سازی نوترون گاما (معمولاً مخفف PGNAA) است.

NAA به طور گسترده ای برای آنالیز نمونه های کوچک مواد در یک راکتور هسته ای استفاده می شود در حالی که PGNAA اغلب برای بررسی سنگ های زیرزمینی در کمربندهای نقاله در اطراف مواد فله صنعتی استفاده می شود.

نوترون حرارتی چیست؟
نوترون های حرارتی نوترون های آزادی هستند که انرژی آنها در دمای اتاق دارای توزیع ماکسول-بولتزمن با kT= 0.0253 eV است. این انرژی به آن سرعت مشخصه 2.2 کیلومتر در ثانیه می دهد. اصطلاح "حرارتی" به انرژی ناشی از نفوذ آنها به داخل گاز یا ماده در دمای اتاق اشاره دارد.

پس از برخوردهای متعدد با هسته ها (اغلب در محدوده 10-20) نوترون ها به این سطح انرژی می رسند به شرطی که جذب نشوند.

در بسیاری از مواد، واکنش نوترونهای حرارتی مقطع موثر بسیار بزرگ تری نسبت به واکنش های مربوط به نوترون های سریعتر نشان می دهند، بنابراین نوترون های حرارتی می توانند با سرعت بیشتری توسط هر هسته اتمی که با آن برخورد کنند جذب شوند که در نتیجه آنها ایزوتوپی سنگین تر و ناپایداری را از یک عنصر شیمیایی به وجود می آورند.

اکثر راکتورهای شکافتی از یک تعدیل کننده نوترون برای کاهش سرعت، یا گرم کردن نوترونهایی که در اثر شکافت هسته ای ساطع می شوند، استفاده می کنند تا به راحتی جذب شوند و باعث شکافت بیشتر می شود. برخی دیگر که راکتورهای تولید کننده سریع نامیده می شوند، مستقیماً از نوترونهای انرژی شکافت استفاده می کنند.

نوترون سرد چیست؟
نوترون های سرد نوترون های حرارتی هستند که در ماده ای بسیار سرد مانند دوتریم مایع به تعادل رسیده باشند. چنین منبع سردی در تعدیل کننده راکتور تحقیقاتی یا منبع شکافت قرار می گیرد. نوترونهای سرد به ویژه برای آزمایش های پراکندگی نوترون بسیار با ارزش هستند.

نوترونهای فوق سرد با پراکندگی ناکشسان نوترونهای سرد در موادی با سطح مقطع کوچک جذب نوترونها در دمایی حدود چند کلوین مانند دوتریم جامد [96] یا هلیوم فوق سیال تولید می شوند. یک روش تولید جایگزین، کاهش شتاب مکانیکی نوترونهای سرد به کمک شیفت داپلر است.

پروتون چیست؟
پروتون یک ذره زیر اتمی است که بار و جرم کمتری نسبت به no دارد. پروتون ها و نوترون ها که جرمی تقریباً با یک واحد جرم اتمی دارند، در مجموع به عنوان "نوکلئون" (ذرات موجود در هسته های اتمی) شناخته می شوند.

معمولا یک یا چند پروتون در هسته هر اتم وجود دارد. آنها بخشی ضروری از هسته هستند. تعداد پروتون های هسته خاصیت تعیین کننده یک عنصر است و از آن به عنوان عدد اتمی یاد می شود.