Masa atómica de un neutrón. Estructura atómica: ¿qué es un neutrón?

Un protón es una partícula estable de la clase de los hadrones, el núcleo de un átomo de hidrógeno.

Es difícil decir qué evento debe considerarse el descubrimiento del protón: después de todo, como ion de hidrógeno, se conoce desde hace mucho tiempo. La creación de un modelo planetario del átomo por E. Rutherford (1911), el descubrimiento de isótopos (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) y la observación de núcleos de hidrógeno desprendidos de los núcleos por Las partículas alfa desempeñaron un papel en el descubrimiento del protón nitrógeno (E. Rutherford, 1919). En 1925, P. Blackett recibió las primeras fotografías de trazas de protones en una cámara de niebla (ver Detectores de radiación nuclear), confirmando el descubrimiento de la transformación artificial de elementos. En estos experimentos, la partícula β fue capturada por un núcleo de nitrógeno, que emitió un protón y se convirtió en un isótopo de oxígeno.

Junto con los neutrones, se forman los protones. núcleos atómicos todos los elementos químicos, y el número de protones en el núcleo determina el número atómico de un elemento dado. Un protón tiene una carga eléctrica positiva igual a la carga elemental, es decir, el valor absoluto de la carga del electrón. Esto ha sido probado experimentalmente con una precisión de 10-21. Masa del protón mp = (938,2796 ± 0,0027) MeV o ~ 1,6-10-24 g, es decir, ¡un protón es 1836 veces más pesado que un electrón! Desde un punto de vista moderno, el protón no es una partícula verdaderamente elemental: consta de dos quarks u con carga eléctrica +2/3 (en unidades de carga elemental) y un quark d con carga eléctrica -1/3. Los quarks están interconectados mediante el intercambio de otras partículas hipotéticas: los gluones, cuantos del campo que conllevan fuertes interacciones. Los datos de experimentos en los que se examinaron los procesos de dispersión de electrones sobre protones indican, de hecho, la presencia de centros puntuales de dispersión dentro de los protones. Estos experimentos son, en cierto sentido, muy similares a los experimentos de Rutherford que llevaron al descubrimiento del núcleo atómico. Al ser una partícula compuesta, el protón tiene un tamaño finito de ~ 10-13 cm, aunque, por supuesto, no se puede representar como una bola sólida. Más bien, el protón se parece a una nube con una frontera difusa, formada por partículas virtuales creadas y aniquiladas. El protón, como todos los hadrones, participa en cada una de las interacciones fundamentales. Entonces. las interacciones fuertes unen protones y neutrones en los núcleos, las interacciones electromagnéticas unen protones y electrones en los átomos. Ejemplos de interacciones débiles son la desintegración beta de un neutrón o la transformación intranuclear de un protón en neutrón con la emisión de un positrón y un neutrino (para un protón libre tal proceso es imposible debido a la ley de conservación y transformación de la energía, ya que el neutrón tiene una masa ligeramente mayor). El giro del protón es 1/2. Los hadrones con espín semientero se llaman bariones (de Palabra griega, que significa "pesado"). Los bariones incluyen el protón, el neutrón, varios hiperones (?, ?, ?, ?) y una serie de partículas con nuevos números cuánticos, la mayoría de las cuales aún no han sido descubiertas. Para caracterizar a los bariones, se introdujo un número especial: la carga bariónica, igual a 1 para los bariones, 1 para los antibariones y O para todas las demás partículas. La carga bariónica no es una fuente del campo bariónico; se introdujo sólo para describir los patrones observados en las reacciones con partículas. Estos patrones se expresan en forma de la ley de conservación de la carga bariónica: la diferencia entre el número de bariones y antibariones en el sistema se conserva en cualquier reacción. La conservación de la carga bariónica imposibilita la desintegración del protón, ya que es el más ligero de los bariones. Esta ley es de naturaleza empírica y, por supuesto, debe probarse experimentalmente. La exactitud de la ley de conservación de la carga bariónica se caracteriza por la estabilidad del protón, cuya estimación experimental de la vida útil da un valor de al menos 1032 años.

Al mismo tiempo, las teorías que combinan todo tipo de interacciones fundamentales predicen procesos que conducen a la alteración de la carga bariónica y la desintegración del protón. La vida útil de un protón en tales teorías no está indicada con mucha precisión: aproximadamente 1032 ± 2 años. Este tiempo es enorme, es muchas veces más largo que la existencia del Universo (~ 2*1010 años). Por tanto, el protón es prácticamente estable, lo que hizo posible educación elementos químicos y, en última instancia, el surgimiento de la vida inteligente. Sin embargo, la búsqueda de la desintegración de protones representa ahora una de las tareas más importantes física experimental. Con una vida útil de un protón de ~ 1032 años en un volumen de agua de 100 m3 (1 m3 contiene ~ 1030 protones), se debería esperar una desintegración de un protón por año. Sólo queda registrar esta decadencia. El descubrimiento de la desintegración de protones será un paso importante hacia una comprensión correcta de la unidad de las fuerzas de la naturaleza.

El neutrón es una partícula neutra que pertenece a la clase de los hadrones. Inaugurado en 1932 físico inglés J. Chadwick. Junto con los protones, los neutrones forman parte de los núcleos atómicos. La carga eléctrica de un neutrón qn es cero. Esto se confirma mediante mediciones directas de la carga debida a la desviación de un haz de neutrones en campos eléctricos intensos, que mostraron que |qn|<10-20e (здесь е -- элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2?10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным полем.

Los neutrones son estables sólo en núcleos atómicos estables. Un neutrón libre es una partícula inestable que se desintegra en un protón (p), un electrón (e-) y un antineutrino electrónico. La vida útil de los neutrones es (917?14) s, es decir, unos 15 minutos. En la materia, los neutrones existen aún menos en forma libre debido a su fuerte absorción por los núcleos. Por lo tanto, se encuentran en la naturaleza o se producen en el laboratorio únicamente como resultado de reacciones nucleares.

A partir del balance de energía de diversas reacciones nucleares, se determinó la diferencia entre las masas del neutrón y del protón: mn-mp(1,29344 ±0,00007) MeV. Comparándola con la masa del protón, obtenemos la masa del neutrón: mn = 939,5731 ± 0,0027 MeV; esto corresponde a mn ~ 1,6-10-24 El neutrón participa en todo tipo de interacciones fundamentales. Las interacciones fuertes unen neutrones y protones en los núcleos atómicos. Un ejemplo de interacción débil es la desintegración beta de un neutrón.

¿Esta partícula neutra participa en interacciones electromagnéticas? El neutrón tiene una estructura interna y, con neutralidad general, circulan en él corrientes eléctricas, lo que conduce, en particular, a la aparición de un momento magnético en el neutrón. En otras palabras, en un campo magnético, un neutrón se comporta como la aguja de una brújula. Este es sólo un ejemplo de su interacción electromagnética. Gran interés despertó la búsqueda del momento dipolar eléctrico del neutrón, para el cual se obtuvo un límite superior. Aquí, los experimentos más efectivos fueron realizados por científicos del Instituto de Física Nuclear de Leningrado de la Academia de Ciencias de la URSS; La búsqueda del momento dipolar de los neutrones es importante para comprender los mecanismos de violación de la invariancia bajo inversión del tiempo en microprocesos.

Las interacciones gravitacionales de los neutrones se observaron directamente a partir de su incidencia en el campo gravitacional de la Tierra.

Actualmente se acepta una clasificación convencional de los neutrones según su energía cinética:

neutrones lentos (<105эВ, есть много их разновидностей),

neutrones rápidos (105?108eV), de alta energía (> 108eV).

Los neutrones muy lentos (10-7 eV), llamados neutrones ultrafríos, tienen propiedades muy interesantes. Resultó que los neutrones ultrafríos se pueden acumular en "trampas magnéticas" y allí sus espines pueden incluso orientarse en una dirección determinada. Utilizando campos magnéticos de una configuración especial, los neutrones ultrafríos se aíslan de las paredes absorbentes y pueden "vivir" en la trampa hasta que se desintegran. Esto permite realizar muchos experimentos sutiles para estudiar las propiedades de los neutrones. Otro método para almacenar neutrones ultrafríos se basa en sus propiedades ondulatorias. Estos neutrones pueden almacenarse simplemente en un “frasco” cerrado. Esta idea fue expresada por el físico soviético Ya. B. Zeldovich a finales de la década de 1950, y los primeros resultados se obtuvieron en Dubna, en el Instituto de Investigaciones Nucleares, casi una década después.

Recientemente, los científicos lograron construir un recipiente en el que viven neutrones ultrafríos hasta su desintegración natural.

Los neutrones libres pueden interactuar activamente con los núcleos atómicos, provocando reacciones nucleares. Como resultado de la interacción de neutrones lentos con la materia, se pueden observar efectos de resonancia, dispersión por difracción en cristales, etc. Debido a estas propiedades, los neutrones se utilizan ampliamente en física nuclear y física del estado sólido. Desempeñan un papel importante en la energía nuclear, en la producción de elementos transuránicos e isótopos radiactivos, y encuentran aplicación práctica en el análisis químico y la exploración geológica.

Los átomos son las partículas más pequeñas de la materia.
Si agrandas una manzana de tamaño medio al tamaño de la Tierra, los átomos tendrán sólo el tamaño de una manzana. A pesar de sus pequeñas dimensiones, el átomo está formado por partículas físicas aún más pequeñas.
Ya deberías estar familiarizado con la estructura del átomo gracias al curso de física de tu escuela. Y, sin embargo, recordemos que el átomo contiene un núcleo y electrones, que giran alrededor del núcleo tan rápidamente que se vuelven indistinguibles: forman una "nube de electrones", o la capa de electrones del átomo.

electrones generalmente denotado de la siguiente manera: mi − . electrones mi− muy ligeros, casi ingrávidos, pero tienen negativo carga eléctrica. Es igual a −1. La corriente eléctrica que todos utilizamos es una corriente de electrones que circulan por cables.

Núcleo atómico, en el que se concentra casi toda su masa, consta de partículas de dos tipos: neutrones y protones.

Neutrones denotado de la siguiente manera: norte 0 , A protones Entonces: pag + .
En términos de masa, los neutrones y los protones son casi iguales: 1,675 10−24 gy 1,673 10−24 g.
Es cierto que es muy inconveniente contar la masa de partículas tan pequeñas en gramos, por lo que se expresa en unidades de carbono, cada uno de los cuales es igual a 1,673 10 −24 g.
Para cada partícula obtenemos Masa atómica relativa, igual al cociente de la masa de un átomo (en gramos) dividida por la masa de una unidad de carbono. Las masas atómicas relativas de un protón y un neutrón son iguales a 1, pero la carga de los protones es positiva e igual a +1, mientras que los neutrones no tienen carga.

. Acertijos sobre el átomo

Un átomo se puede ensamblar “en la mente” a partir de partículas, como un juguete o un automóvil a partir de piezas de un juego de construcción para niños. Sólo es necesario observar dos condiciones importantes.

• Primera condición: cada tipo de átomo tiene el suyo propio conjunto"detalles" - partículas elementales. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno definitivamente tendrá un núcleo con una carga positiva de +1, lo que significa que ciertamente debe tener un protón (y nada más).
  Un átomo de hidrógeno también puede contener neutrones. Más sobre esto en el siguiente párrafo.
  El átomo de oxígeno (el número atómico en la tabla periódica es 8) tendrá un núcleo cargado ocho cargas positivas (+8), lo que significa que hay ocho protones. Dado que la masa de un átomo de oxígeno es de 16 unidades relativas, para obtener un núcleo de oxígeno agregamos otros 8 neutrones.
• Segunda condición es que cada átomo debe ser eléctricamente neutral. Para ello, debe tener suficientes electrones para equilibrar la carga del núcleo. En otras palabras, el número de electrones en un átomo es igual al número de protones en su núcleo, así como el número de serie de este elemento en la tabla periódica.

Capítulo primero. PROPIEDADES DE LOS NÚCLEO ESTABLES

Ya se dijo anteriormente que el núcleo está formado por protones y neutrones unidos por fuerzas nucleares. Si medimos la masa de un núcleo en unidades de masa atómica, debería aproximarse a la masa de un protón multiplicada por un número entero llamado número de masa. Si la carga de un núcleo es un número de masa, esto significa que el núcleo contiene protones y neutrones. (El número de neutrones en el núcleo generalmente se denota por

Estas propiedades del núcleo se reflejan en notación simbólica, que se usará más adelante en la forma

donde X es el nombre del elemento a cuyo átomo pertenece el núcleo (por ejemplo, núcleos: helio - , oxígeno - , hierro - uranio

Las principales características de los núcleos estables incluyen: carga, masa, radio, momentos mecánicos y magnéticos, espectro de estados excitados, paridad y momento cuadrupolar. Los núcleos radiactivos (inestables) se caracterizan además por su vida útil, el tipo de transformaciones radiactivas, la energía de las partículas emitidas y una serie de otras propiedades especiales, que se analizarán a continuación.

En primer lugar, consideremos las propiedades de las partículas elementales que forman el núcleo: protones y neutrones.

§ 1. CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL PROTÓN Y DEL NEUTRÓN

Peso. En unidades de masa de electrones: masa de protones, masa de neutrones.

En unidades de masa atómica: masa de protones, masa de neutrones.

En unidades de energía, la masa en reposo de un protón es la masa en reposo de un neutrón.

Carga eléctrica. q es un parámetro que caracteriza la interacción de una partícula con un campo eléctrico, expresado en unidades de carga electrónica donde

Todas las partículas elementales transportan una cantidad de electricidad igual a 0 o La carga de un protón La carga de un neutrón es cero.

Girar. Los espines del protón y del neutrón son iguales, ambas partículas son fermiones y obedecen a la estadística de Fermi-Dirac y, por tanto, al principio de Pauli.

Momento magnético. Si sustituimos la masa del protón en la fórmula (10), que determina el momento magnético del electrón en lugar de la masa del electrón, obtenemos

La cantidad se llama magnetón nuclear. Por analogía con el electrón se podría suponer que el momento magnético de espín del protón es igual a. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que el momento magnético del propio protón es mayor que el del magnetón nuclear: según datos modernos

Además, resultó que una partícula sin carga, un neutrón, también tiene un momento magnético diferente de cero e igual a

La presencia de un momento magnético en un neutrón y un valor tan grande del momento magnético en un protón contradicen las suposiciones sobre la naturaleza puntual de estas partículas. Varios datos experimentales obtenidos en los últimos años indican que tanto el protón como el neutrón tienen una estructura compleja y no homogénea. En el centro del neutrón hay una carga positiva y en la periferia hay una carga negativa de igual magnitud distribuida en el volumen de la partícula. Pero dado que el momento magnético está determinado no sólo por la magnitud de la corriente que fluye, sino también por el área recorrida por ella, los momentos magnéticos creados por ellos no serán iguales. Por lo tanto, un neutrón puede tener un momento magnético y al mismo tiempo permanecer generalmente neutral.

Transformaciones mutuas de nucleones. La masa de un neutrón es 0,14% mayor que la masa de un protón, o 2,5 veces la masa de un electrón,

En estado libre, un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino: su vida media es cercana a los 17 minutos.

Un protón es una partícula estable. Sin embargo, dentro del núcleo puede convertirse en neutrón; en este caso la reacción procede según el esquema

La diferencia en las masas de las partículas de izquierda y derecha se compensa con la energía impartida al protón por otros nucleones del núcleo.

Un protón y un neutrón tienen los mismos espines, casi las mismas masas y pueden transformarse entre sí. Más adelante se demostrará que las fuerzas nucleares que actúan entre estas partículas en pares también son idénticas. Por lo tanto, se les llama con un nombre común: nucleón y dicen que un nucleón puede estar en dos estados: protón y neutrón, que se diferencian en su relación con el campo electromagnético.

Los neutrones y los protones interactúan debido a la existencia de fuerzas nucleares que son de naturaleza no eléctrica. Las fuerzas nucleares deben su origen al intercambio de mesones. Si representamos la dependencia de la energía potencial de interacción entre un protón y un neutrón de baja energía de la distancia entre ellos, aproximadamente se verá como el gráfico que se muestra en la Fig. 5, a, es decir, tiene la forma de un pozo potencial.

Arroz. 5. Dependencia de la energía potencial de interacción de la distancia entre nucleones: a - para pares neutrón-neutrón o neutrón-protón; b - para un par protón-protón

Los tamaños y masas de los átomos son pequeños. El radio de los átomos es de 10 a 10 m y el radio del núcleo es de 10 a 15 m. La masa de un átomo se determina dividiendo la masa de un mol de átomos del elemento por el número de átomos en 1 mol. (NA = 6,02·10 23 mol -1). La masa de los átomos varía dentro del rango de 10 -27 ~ 10 -25 kg. Normalmente, la masa de los átomos se expresa en unidades de masa atómica (uma). Para a.u.m. Se toma 1/12 de la masa de un átomo del isótopo de carbono 12 C.

Las principales características de un átomo son la carga de su núcleo (Z) y el número másico (A). El número de electrones en un átomo es igual a la carga de su núcleo. Las propiedades de los átomos están determinadas por la carga de sus núcleos, el número de electrones y su estado en el átomo.

Propiedades básicas y estructura del núcleo (teoría de la composición de los núcleos atómicos)

1. Los núcleos atómicos de todos los elementos (excepto el hidrógeno) están formados por protones y neutrones.

2. El número de protones en el núcleo determina el valor de su carga positiva (Z). z- número de serie elemento químico en la tabla periódica de Mendeleev.

3. El número total de protones y neutrones es el valor de su masa, ya que la masa de un átomo se concentra principalmente en el núcleo (99,97% de la masa del átomo). Las partículas nucleares (protones y neutrones) se denominan colectivamente nucleones(De la palabra latina núcleo, que significa "núcleo"). El número total de nucleones corresponde al número másico, es decir su masa atómica A redondeada al número entero más cercano.

Núcleos con el mismo z, pero diferente A son llamados isótopos. Núcleos que, con el mismo A Tiene diferente z, son llamados isobaras. En total, se conocen unos 300 isótopos estables de elementos químicos y más de 2.000 isótopos radiactivos producidos de forma natural y artificial.

4. Número de neutrones en el núcleo. norte se puede encontrar a partir de la diferencia entre el número de masa ( A) y número de serie ( z):

5. Se caracteriza el tamaño del grano. radio del núcleo, que tiene un significado condicional debido a la difuminación del límite central.

La densidad de la materia nuclear es del orden de magnitud 10 17 kg/m 3 y es constante para todos los núcleos. Supera significativamente la densidad de las sustancias ordinarias más densas.

La teoría del protón-neutrón permitió resolver las contradicciones que surgieron anteriormente en las ideas sobre la composición de los núcleos atómicos y su relación con el número atómico y la masa atómica.

Energía de enlace nuclear está determinada por la cantidad de trabajo que se necesita hacer para dividir un núcleo en sus nucleones constituyentes sin impartirles energía cinética. De la ley de conservación de la energía se deduce que durante la formación de un núcleo debe liberarse la misma energía que la que debe gastarse durante la división del núcleo en sus nucleones constituyentes. La energía de enlace de un núcleo es la diferencia entre la energía de todos los nucleones libres que forman el núcleo y su energía en el núcleo.

Cuando se forma un núcleo, su masa disminuye: la masa del núcleo es menor que la suma de las masas de los nucleones que lo constituyen. La disminución de la masa del núcleo durante su formación se explica por la liberación de energía de enlace. Si W. sv es la cantidad de energía liberada durante la formación de un núcleo, luego la masa correspondiente Dm, igual a

llamado defecto masivo y caracteriza la disminución de la masa total durante la formación de un núcleo a partir de sus nucleones constituyentes. Una unidad de masa atómica corresponde a unidad de energía atómica(a.u.e.): a.u.e.=931,5016 MeV.

Energía de enlace nuclear específica w La energía de enlace por nucleón se llama: w sv= . Magnitud w tiene un promedio de 8 MeV/nucleón. A medida que aumenta el número de nucleones en el núcleo, la energía de enlace específica disminuye.

Criterio para la estabilidad de los núcleos atómicos. es la relación entre el número de protones y neutrones en un núcleo estable para determinadas isobaras. ( A= constante).

Fuerzas nucleares

1. La interacción nuclear indica que existen especiales. fuerzas nucleares, no reducible a ninguno de los tipos de fuerzas conocidas en la física clásica (gravitacional y electromagnética).

2. Las fuerzas nucleares son fuerzas de corto alcance. Aparecen sólo a distancias muy pequeñas entre nucleones en el núcleo del orden de 10-15 m. La longitud (1,5 x 2,2)10-15 m se llama rango de fuerzas nucleares.

3. Se detectan fuerzas nucleares. cargar independencia: La atracción entre dos nucleones es la misma independientemente del estado de carga de los nucleones: protón o nucleón. La independencia de carga de las fuerzas nucleares es evidente al comparar las energías vinculantes en núcleos de espejo. Se llama así a los núcleos en los que el número total de nucleones es el mismo, pero el número de protones en uno es igual al número de neutrones en el otro. Por ejemplo, núcleos de helio. tritio hidrógeno pesado - .

4. Las fuerzas nucleares tienen una propiedad de saturación, que se manifiesta en el hecho de que un nucleón en un núcleo interactúa sólo con un número limitado de nucleones vecinos más cercanos a él. Por eso existe una dependencia lineal de las energías de enlace de los núcleos con respecto a su número de masa (A). En la partícula a, que es una formación muy estable, se logra una saturación casi completa de las fuerzas nucleares.

Radiactividad, radiación g, a y b - desintegración

1.Radioactividad Es la transformación de isótopos inestables de un elemento químico en isótopos de otro elemento, acompañada de la emisión de partículas elementales, núcleos o rayos X duros. radiactividad natural llamada radiactividad observada en isótopos inestables naturales. Radiactividad artificial Se llama radiactividad de los isótopos obtenidos como resultado de reacciones nucleares.

2. Por lo general, todos los tipos de radiactividad van acompañados de la emisión de radiación gamma: radiación de ondas eléctricas duras y de onda corta. La radiación gamma es la principal forma de reducir la energía de los productos excitados de transformaciones radiactivas. Un núcleo que sufre desintegración radiactiva se llama materno; emergente subsidiario el núcleo, por regla general, resulta excitado y su transición al estado fundamental va acompañada de la emisión de un fotón g.

3. desintegración alfa Se llama emisión de partículas a por los núcleos de ciertos elementos químicos. La desintegración alfa es una propiedad de los núcleos pesados ​​con números másicos A>200 y cargas nucleares z>82. Dentro de dichos núcleos se forman partículas a aisladas, cada una de las cuales consta de dos protones y dos neutrones, es decir. se forma un átomo de un elemento desplazado en la mesa tabla periódica elementos D.I. Mendeleev (PSE) dos celdas a la izquierda del elemento radiactivo original con un número de masa inferior a 4 unidades(Regla de loza):

4. El término desintegración beta se refiere a tres tipos de transformaciones nucleares: electrónico(banda positrónico(b+) se desintegra, así como captura electrónica.

La desintegración B ocurre predominantemente en núcleos relativamente ricos en neutrones. En este caso, el neutrón del núcleo se desintegra en un protón, un electrón y un antineutrino () con carga y masa cero.

Durante la desintegración b, el número de masa del isótopo no cambia, ya que el número total de protones y neutrones se mantiene y la carga aumenta en 1. Por lo tanto, el átomo del elemento químico resultante es desplazado por el PSE una celda hacia la derecha del elemento original, pero su número de masa no cambia(Regla de loza):

La desintegración b+- ocurre predominantemente en núcleos relativamente ricos en protones. En este caso, el protón del núcleo se desintegra en neutrón, positrón y neutrino ().

.

Durante la desintegración b+, el número másico del isótopo no cambia, ya que el número total de protones y neutrones se mantiene y la carga disminuye en 1. Por lo tanto, el átomo del elemento químico resultante es desplazado por el PSE una celda hacia la izquierda del elemento original, pero su número de masa no cambia(Regla de loza):

5. En el caso de la captura de electrones, la transformación consiste en la desaparición de uno de los electrones en la capa más cercana al núcleo. Un protón, al convertirse en neutrón, “captura” un electrón; De aquí proviene el término “captura electrónica”. La captura electrónica, a diferencia de la captura b±, va acompañada de una radiación de rayos X característica.

6. La desintegración b se produce tanto en núcleos radiactivos de forma natural como en núcleos artificialmente radiactivos; La desintegración b+ es característica únicamente del fenómeno de la radiactividad artificial.

7. radiación g: cuando se excita, el núcleo de un átomo emite radiación electromagnética de longitud de onda corta y alta frecuencia, teniendo mayor rigidez y poder de penetración que los rayos X. Como resultado, la energía del núcleo disminuye, pero el número másico y la carga del núcleo permanecen sin cambios. Por tanto, no se observa la transformación de un elemento químico en otro y el núcleo del átomo pasa a un estado menos excitado.

NEUTRÓN(n) (del latín neutro - ni lo uno ni lo otro) - una partícula elemental con energía eléctrica cero. carga y masa, insignificante mayor masa protón. Junto con el protón bajo el nombre general. El nucleón forma parte de los núcleos atómicos. H. tiene espín 1/2 y por lo tanto obedece Fermi - Dirac estadísticas(es un fermión). pertenece a la familia adra-nov; tiene número bariónico B= 1, es decir incluido en el grupo bariones.

Descubierto en 1932 por J. Chadwick, quien demostró que la radiación dura y penetrante que surge del bombardeo de núcleos de berilio por partículas a consiste en partículas eléctricamente neutras con una masa aproximadamente igual a la de un protón. En 1932, D. D. Ivanenko y W. Heisenberg propusieron la hipótesis de que los núcleos atómicos están formados por protones y cargas diferentes de H. partículas, H. penetra fácilmente en los núcleos con cualquier energía y es muy probable que cause reacciones nucleares capturar (n,g), (n,a), (n, p), si el balance de energía en la reacción es positivo. Probabilidad de exotérmica. aumenta a medida que H disminuye, inversamente proporcional. su velocidad. E. Fermi y sus colaboradores descubrieron en 1934 un aumento en la probabilidad de reacciones de captura de H. cuando se ralentizan en medios que contienen hidrógeno. La capacidad de H. para provocar la fisión de núcleos pesados, descubierta por O. Hahn y F. Strassmann (F . Strassman) en 1938 (ver. Fisión nuclear), sirvió de base para la creación armas nucleares Y . La peculiaridad de la interacción con la materia de los neutrones lentos, que tienen una longitud de onda de De Broglie del orden de las distancias atómicas (efectos de resonancia, difracción, etc.), sirve de base para el uso generalizado de haces de neutrones en la física del estado sólido. (Clasificación de H. por energías: rápida, lenta, térmica, fría, ultrafría; consulte el art. Física de neutrones.)

En estado libre, H. es inestable: sufre desintegración B; norte p + mi - + ve; su vida útil t n = 898(14) s, la energía límite del espectro electrónico es 782 keV (ver. desintegración beta de neutrones). En un estado unido como parte de núcleos estables, H. es estable (según estimaciones experimentales, su vida útil supera los 10 32 años). Según astr. Se estima que el 15% de la materia visible del Universo está representada por H., el cual forma parte de los 4 núcleos de He. H. es el principal componente estrellas de neutrones. Los H. libres en la naturaleza se forman en reacciones nucleares, causado por partículas a de desintegración radiactiva, rayos cósmicos y como resultado de la fisión espontánea o forzada de núcleos pesados. Arte. fuentes de H. son reactores nucleares, explosiones nucleares, aceleradores de protones (de energía media) y electrones con objetivos formados por elementos pesados. Las fuentes de haces H. monocromáticos con una energía de 14 MeV son de baja energía. aceleradores de deuterón con un objetivo de tritio o litio y, en el futuro, las instalaciones termonucleares termonucleares pueden convertirse en fuentes intensas de dicho H. (Cm. .)

Principales características de H.

masa h. t p = 939,5731(27) MeV/s 2 = = 1,008664967(34) en. unidades masa 1.675. 10 -24 g La diferencia entre las masas de H. y el protón se midió desde el máximo. precisión a partir de la energía. balance de la reacción de H. captura por un protón: n + p d + g (g-energía cuántica = 2,22 MeV), metro norte- metro p = 1,293323 (16) MeV/c 2 .

Carga eléctrica H. q norte = 0. Mediciones directas más precisas q n se fabrican desviando haces de H. frío o ultrafrío hacia electrostáticos. campo: q norte<= 3·10 -21 su- carga de electrones). Kosv. datos eléctricos neutralidad macroscópica. cantidad de gas que dan qn<= 2·10-22 mi.

Gira H. j= 1/2 se determinó a partir de experimentos directos sobre la división de un haz H en un campo magnético no homogéneo. campo en dos componentes [en el caso general, el número de componentes es igual a (2 j + 1)].

Coherente Descripción de la estructura de los hadrones basada en la moderna. teoría de la interacción fuerte - cromodinámica cuántica- mientras se encuentra con el teórico. dificultades, sin embargo, para muchos satisfará completamente las tareas. los resultados vienen dados por una descripción de la interacción de los nucleones, representados como objetos elementales, mediante el intercambio de mesones. Experimentemos. exploración de espacios. La estructura de H. se lleva a cabo mediante la dispersión de leptones de alta energía (electrones, muones, neutrinos, considerados en la teoría moderna como partículas puntuales) sobre deuterones. La contribución de la dispersión de un protón se mide en dep. experimento y se puede restar usando la definición. calculará. procedimientos.

La dispersión de electrones elástica y cuasi elástica (con división de deuterón) en un deuterón permite encontrar la distribución de la densidad eléctrica. carga y magnético momento H. ( factor de forma H.). Según el experimento, la distribución de la densidad magnética. momento H. con una precisión del orden de varios. por ciento coincide con la distribución de la densidad eléctrica. carga de protones y tiene un radio cuadrático medio de ~0,8·10 -13 cm (0,8 F). Magn. El factor de forma H. ​​se describe bastante bien mediante el llamado. dipolo f-loy GM norte = metro norte (1 + q 2/0,71) -2, donde q 2 - cuadrado del impulso transferido en unidades (GeV/c) 2.

Una cuestión más compleja es la de la magnitud de la corriente eléctrica. (carga) factor de forma H. GE norte. De los experimentos de dispersión de deuterón podemos concluir que GE norte ( q 2 ) <= 0,1 en el intervalo de cuadrados de impulsos transmitidos (0-1) (GeV/c) 2. En q 2 0 debido a la igualdad a cero eléctrico. cargar h. GE norte- > 0, sin embargo, se puede determinar experimentalmente. dG E norte ( q 2 )/dq 2 | q 2=0. Este valor es máx. exactamente encontrado a partir de mediciones longitudes de dispersión H. en la capa electrónica de átomos pesados. Básico Parte de esta interacción está determinada por el campo magnético. momento H. Máx. experimentos precisos dan la longitud de dispersión ne A ne = -1,378(18) . 10 -16 cm, que difiere del valor calculado determinado por el campo magnético. momento H.: a ne = -1,468. 10 -16 cm La diferencia entre estos valores da la media eléctrica cuadrática. radio h.<r 2 mi n >= = 0,088(12) Fili dG E norte ( q 2)/dq 2 | q 2=0 = -0,02 F 2 . Estas cifras no pueden considerarse definitivas debido a la gran dispersión de los datos y a su descomposición. experimentos excedieron los errores reportados.

Una característica de la interacción de H. con la mayoría de los núcleos es positiva. longitud de dispersión, lo que conduce al coeficiente. refracción< 1. Благодаря этому H., падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутр. отражение. При скорости u < (5-8) м/с (ультрахолодные H.) H. испытывают полное отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и др. при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрахолодных H. широко используется в экспериментах (напр., для поиска ЭДМ H.) и позволяет реализовать нейтронооптич. устройства (см. Óptica de neutrones).

H. y interacción débil (electrodébil). Una fuente importante de información sobre la interacción electrodébil es la desintegración b del H libre. A nivel de quarks, este proceso corresponde a la transición. El proceso inverso de interacción entre un electrón y un protón se llama. desintegración b inversa. Esta clase de procesos incluye captura electrónica, que tiene lugar en los núcleos, re - n v mi.

Decaimiento de H. libre teniendo en cuenta la cinemática. los parámetros se describen mediante dos constantes: vector GV, lo cual se debe a corriente de conservación del vector universo. constante de interacción débil y vector axial GA, el valor del corte está determinado por la dinámica de los componentes del nucleón que interactúan fuertemente: quarks y gluones. Funciones de onda del H. inicial y del protón final y del elemento matricial de la transición n p debida a isotópica. Las invarianzas se calculan con bastante precisión. Como resultado, el cálculo de las constantes GV Y GA de la desintegración del H. libre (a diferencia de los cálculos de la desintegración b de los núcleos) no está asociado con la consideración de factores estructurales nucleares.

La vida útil de H. sin tener en cuenta determinadas correcciones es igual a: t n = kg 2 V+ 3GRAMO 2 A) -1 , donde k incluye cinemática factores y correcciones de Coulomb dependiendo de la energía límite de la desintegración b y correcciones de radiación.

Probabilidad de desintegración del polarizador. H. con giro S , energías y momentos del electrón y antineutrino y R e, generalmente se describe mediante la expresión:

Coef. correlaciones a, A, B, D se puede representar como una función a partir de un parámetro un = (GA/GV,)Exp( i F). La fase f es diferente de cero o p si t-Se rompe la invariancia. En mesa Se dan datos experimentales. valores para estos coeficientes. y los significados resultantes a y f.

Hay una diferencia notable entre estos datos. experimentos para t n, llegando a varios. por ciento.

La descripción de la interacción electrodébil que involucra H. a energías más altas es mucho más complicada debido a la necesidad de tener en cuenta la estructura de los nucleones. Por ejemplo, m - -captura, m - p n v m se describe mediante al menos el doble de constantes. H. también experimenta interacción electrodébil con otros hadrones sin la participación de leptones. Dichos procesos incluyen lo siguiente.

1) Desintegraciones de hiperones L np 0, S + np +, S - np -, etc. La probabilidad reducida de estas desintegraciones es varias. veces menos que para las partículas no extrañas, lo que se describe introduciendo el ángulo de Cabibbo (ver. Rincón Cabibbo).

2) Interacción débil n - n o n - p, que se manifiesta como fuerzas nucleares que no preservan los espacios. paridad La magnitud habitual de los efectos provocados por ellos es del orden de 10 -6 -10 -7.

La interacción de H. con núcleos medianos y pesados ​​​​tiene una serie de características que, en algunos casos, llevan al significado. efectos potenciadores no conservación de la paridad en los núcleos. Uno de estos efectos está relacionado. la diferencia en la sección transversal de absorción de H. c en la dirección de propagación y en contra de ella, bordes en el caso del núcleo 139 La es igual al 7% en = 1,33 eV, correspondiente a R- resonancia de ondas de neutrones. El motivo del aumento es la combinación de baja energía. el ancho de los estados del núcleo compuesto y la alta densidad de niveles con paridades opuestas en este núcleo compuesto, lo que proporciona 2-3 órdenes de magnitud mayor mezcla de componentes con diferentes paridades que en los estados de núcleos bajos. El resultado es una serie de efectos: asimetría de la emisión de cuantos g en relación con el giro de los polarizadores capturados. H. en la reacción (n, g), asimetría de emisión de carga. partículas durante la desintegración de estados compuestos en la reacción (n, p) o la asimetría de la emisión de un fragmento de fisión ligero (o pesado) en la reacción (n, F). Las asimetrías tienen un valor de 10 -4 -10 -3 en energía térmica H. V R Además se realizan resonancias de neutrones de ondas. mejora asociada con la supresión de la probabilidad de formación de un componente que preserva la paridad de este estado compuesto (debido al pequeño ancho de neutrones R-resonancia) con respecto al componente de impureza con paridad opuesta, que es s-resonancia-som. Es la combinación de varios. Los factores de amplificación permiten que se manifieste un efecto extremadamente débil con una magnitud característica de la interacción nuclear.

Interacciones con la violación del número bariónico. Teórico modelos gran unificación Y superunificaciones predecir la inestabilidad de los bariones: su desintegración en leptones y mesones. Estas desintegraciones sólo pueden ser perceptibles en los bariones más ligeros, p y n, que forman parte de los núcleos atómicos. Para la interacción con un cambio en el número bariónico en 1, D B= 1, se esperaría una transformación de tipo H.: n e + p - , o una transformación con emisión de mesones extraños. La búsqueda de procesos de este tipo se llevó a cabo en experimentos con detectores subterráneos de varias masas. mil toneladas. Con base en estos experimentos, se puede concluir que el tiempo de desintegración de H. con una violación del número bariónico es de más de 10 32 años.

Dr. posible tipo de interacción con D EN= 2 puede conducir al fenómeno de interconversión de H. y antineutrones en el vacío, es decir, en oscilación . En ausencia de externos campos o en su baja magnitud, los estados de H. y el antineutrón están degenerados, ya que sus masas son las mismas, por lo que incluso una interacción ultradébil puede mezclarlos. El criterio de pequeño externo. campos es la pequeñez de la energía de interacción magnética. momento H. con imán. campo (n y n ~ tienen momentos magnéticos de signo opuesto) en comparación con la energía determinada por el tiempo t observaciones H. (según la relación de incertidumbre), D<=HT-1. Al observar la producción de antineutrones en un haz H de un reactor u otra fuente t es el tiempo de vuelo H. al detector. El número de antineutrones en el haz aumenta cuadráticamente al aumentar el tiempo de vuelo: /NORTE norte ~ ~ (t/t osc) 2, donde t osc es el tiempo de oscilación.

Los experimentos directos sobre la observación de la producción en haces de H. frío desde un reactor de alto flujo dan un límite de t osc > 10 7 s. En los experimentos que se están preparando, se puede esperar un aumento de la sensibilidad al nivel de t osc ~ 10 9 s. Las circunstancias limitantes son máx. intensidad de haces de H. y simulación de fenómenos antineutrones en el detector cósmico. rayos.

Dr. método de observación de oscilaciones: observación de la aniquilación de antineutrones, que pueden formarse en núcleos estables. Además, debido a la gran diferencia entre las energías de interacción del antineutrón emergente en el núcleo y la energía de enlace H. eff. el tiempo de observación es ~ 10 -22 s, pero la gran cantidad de núcleos observados (~ 10 32) compensa parcialmente la disminución de la sensibilidad en comparación con el experimento con haces H. A partir de los datos de experimentos subterráneos que buscan la desintegración de protones, la ausencia de eventos con una liberación de energía de ~ 2 GeV se puede concluir con cierta incertidumbre, dependiendo del desconocimiento del tipo exacto de interacción del antineutrón dentro del núcleo, que t osc > (1-3). 10 7p. Criaturas El aumento del límite de t osc en estos experimentos se ve obstaculizado por el fondo provocado por la interacción de partículas cósmicas. neutrinos con núcleos en detectores subterráneos.

Cabe señalar que la búsqueda de la desintegración del nucleón con D B= 1 y la búsqueda de -oscilaciones son experimentos independientes, ya que son causados ​​por fundamentalmente diferentes tipos de interacciones.

Interacción gravitacional H. El neutrón es una de las pocas partículas elementales que caen por gravedad. El campo de la Tierra se puede observar experimentalmente. La medición directa de H. se realiza con una precisión del 0,3% y no difiere de la macroscópica. La cuestión del cumplimiento sigue siendo relevante principio de equivalencia(igualdad de masas inerciales y gravitacionales) para H. y protones.

Los experimentos más precisos se llevaron a cabo utilizando el método del peso Et para cuerpos con diferentes promedios. valores de relación ARIZONA, Dónde A- en. número, z- carga de núcleos (en unidades de carga elemental mi). De estos experimentos se deduce que la aceleración de la gravedad para H. y los protones es idéntica en el nivel 2·10 -9, y la igualdad de la gravedad. y masas inertes al nivel de ~10 -12.

Gravedad La aceleración y la desaceleración se utilizan ampliamente en experimentos con H. Aplicación de la gravedad. Un refractómetro para H. frío y ultrafrío permite medir con gran precisión la duración de la dispersión coherente de H. sobre una sustancia.

H. en cosmología y astrofísica

Según lo moderno ideas, en el modelo del Universo Caliente (ver. Teoría del universo caliente)La formación de bariones, incluidos protones e hidrógeno, se produce en los primeros minutos de vida del Universo. Posteriormente, una determinada parte del H., que no tuvo tiempo de desintegrarse, es capturada por protones con la formación de 4 He. La proporción de hidrógeno y 4He es de 70% a 30% en peso. Durante la formación de estrellas y su evolución, más nucleosíntesis, hasta los núcleos de hierro. La formación de núcleos más pesados ​​se produce como consecuencia de explosiones de supernovas con el nacimiento de estrellas de neutrones, creando la posibilidad de sucesivas. captura de H. por nucleidos. En este caso, la combinación de los llamados. s-proceso - captura lenta de H. con desintegración b entre capturas sucesivas y r-proceso - secuencial rápido. captura durante explosiones de estrellas principalmente. puede explicar lo observado prevalencia de elementos en el espacio objetos.

En el componente primario de lo cósmico. Los rayos H. probablemente estén ausentes debido a su inestabilidad. H., formado en la superficie de la Tierra y difundiéndose en el espacio. espacio y los que allí se desintegran aparentemente contribuyen a la formación de los componentes de electrones y protones. cinturones de radiación Tierra.

Iluminado.: Gurevich I.S., Tarasov L.V., Física de neutrones de baja energía, M., 1965; Alexandrov Yu.A. Propiedades fundamentales del neutrón, 2ª ed., M., 1982.