Neutronen sind kleine subatomare Teilchen, die zusammen mit Protonen den Kern eines solchen bilden Mais.
Während die Anzahl der Protonen jedes Element bestimmt Mais ist, dass die Anzahl der Neutronen im Kern variieren kann, was zu unterschiedlichen Isotopen eines Elements führt. Zum Beispiel hat normaler Wasserstoff ein Proton und keine Neutronen, aber die Wasserstoffisotope Deuterium und Tritium haben neben dem Proton ein bzw. zwei Neutronen.
Neutronen sind zusammengesetzte Teilchen, die aus drei kleineren Elementarteilchen, den Neutronen, bestehen subatomare Partikeldie zusammengebracht wurde von Bloße Kraft. Genauer gesagt, ein Neutron hat ein „Up“- und zwei „Down“-Quarks. Teilchen, die aus drei Quarks bestehen, werden Baryonen genannt, und somit tragen Baryonen zu aller „sichtbaren“ baryonischen Materie bei Universum.
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Wer hat Neutronen entdeckt?
Danach, danach Ernst Rutherford (Mit Hilfe von Ernst Marsden Und die Hans GeigerDas Blattgold-Experiment) entdeckte 1911, dass Atome einen Kern haben, entdeckte dann neun Jahre später, dass Atomkerne zumindest teilweise aus Protonen bestehen, und die Entdeckung des Neutrons im Jahr 1932 James Chadwick ganz normal gefolgt.
Die Idee, dass sich im Kern eines Atoms noch etwas anderes befindet, kam daher, dass die Anzahl der Protonen nicht mit dem Atomgewicht des Atoms übereinstimmt. Zum Beispiel hat ein Sauerstoffatom 8 Protonen, aber sein Atomgewicht beträgt 16, was darauf hinweist, dass es 8 weitere Teilchen enthält. Diese unscharfen Teilchen müssen jedoch elektrisch neutral sein, da Atome normalerweise keine elektrische Gesamtladung haben (die negative Ladung von Elektronen hebt die positive Ladung von Protonen auf).
Damals experimentierten viele Wissenschaftler Alpha-Teilchen, was ein anderer Name für einen Heliumkern ist, der ein Material aus dem Element Beryllium mit einem Alphateilchenstrom beschießt. Als die Alphateilchen mit den Berylliumatomen kollidierten, erzeugten sie unscharfe Teilchen, die aus den Berylliumatomen zu stammen schienen. Chadwick ging mit diesen Experimenten noch einen Schritt weiter und sah, dass die Fuzzy-Partikel, wenn sie auf ein Target aus Paraffinwachs trafen, lose Protonen mit hoher Energie freisetzen würden. Dazu, so rechnete Chadwick aus, müsste das mysteriöse Teilchen etwa die gleiche Masse wie ein Proton haben. Chadwick erklärte dieses mysteriöse Teilchen zum Neutron und erhielt 1935 den Nobelpreis für seine Entdeckung.
Neutronen: Masse und Ladung
Neutronen sind, wie ihr Name schon sagt, elektrisch neutral, haben also keine Ladung. Seine Masse beträgt das 1,008-fache eines Protons – also etwa 0,1 % mehr.
Neutronen mögen es nicht, außerhalb des Kerns alleine zu existieren. Die starke Kraft, die Energie zwischen ihm und den Protonen im Kern bindet, hält ihn stabil, aber wenn er von selbst herauskommt, unterliegt er Beta-Zerfall Nach etwa 15 Minuten verwandelt es sich in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino.
Albert Einstein, in seiner berühmten Gleichung E=mc2 sagte er, dass Masse und Energie äquivalent sind. Obwohl die Massen eines Neutrons und eines Protons leicht unterschiedlich sind, bedeutet dieser geringfügige Unterschied, dass ein Neutron mehr Masse und daher mehr Energie hat als die Masse eines Protons und eines Elektrons zusammen. Aus diesem Grund entstehen beim Zerfall eines Neutrons ein Proton und ein Elektron.
Isotope und Radioaktivität
Ein Isotop ist eine Variation eines Elements, das eine höhere Anzahl von Neutronen hat. Zum Beispiel haben wir oben in diesem Artikel ein Beispiel für Wasserstoffisotope, Deuterium und Tritium, gegeben, die 1 bzw. 2 zusätzliche Neutronen haben. Einige Isotope sind stabil wie Deuterium. Andere sind instabil und unterliegen unvermeidlich einem radioaktiven Zerfall. Tritium ist instabil – es hat eine Halbwertszeit von etwa 12 Jahren (die Halbwertszeit ist die Zeit, die es im Durchschnitt dauert, bis die Hälfte einer gegebenen Menge eines Isotops wie Tritium zerfällt), aber andere Isotope zerfallen viel schneller, in wenigen Minuten, Sekunden oder sogar Sekundenbruchteilen.
Neutronen sind auch wesentliche Werkzeuge bei Kernreaktionen, insbesondere beim Auslösen einer Kettenreaktion. Von Atomkernen absorbierte Neutronen erzeugen instabile Isotope, die dann durchlaufen werden Kernspaltung (Es ist in zwei kleinere Tochterkerne anderer Elemente unterteilt). Wenn beispielsweise Uran weitere 235 Neutronen absorbiert, wird es instabil und zerfällt, wobei es Energie freisetzt.
Neutronen sind auch maßgeblich an der Entstehung schwerer Elemente in massereichen Sternen beteiligt, und zwar durch einen Mechanismus, der als r-Prozess bekannt ist, wobei „r“ „schnell“ bedeutet. Dieser Prozess wurde erstmals in dem berühmten, mit dem Nobelpreis ausgezeichneten B2FH-Papier beschrieben Margarete Und die Jeffrey BurbidgeUnd die William Fowler Und die Fred Howl die die Ursprünge der Elemente durch stellare Nukleosynthese beschrieb – die Bildung von Elementen durch Sterne.
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Sterne Wie zum Beispiel Die Sonne Elemente können aus Sauerstoff, Stickstoff und Kohlenstoff hergestellt werden Kernfusion Interaktionen. mehr riesige Sterne Es kann weitergehen und Hüllen aus immer schwereren Elementen bis hinunter zu Eisen 56 im Kern des Sterns erzeugen. An diesem Punkt muss den Reaktionen mehr Energie zugeführt werden, um Elemente zu verschmelzen, die schwerer als Eisen sind, als bereits durch diese Reaktionen produziert werden, so dass diese Reaktionen stoppen, die Energieproduktion stoppt und der Kern des Sterns zusammenbricht, was verursacht Supernova. Bei einer extrem heftigen Supernova-Explosion können die Bedingungen so hart werden, dass viele freie Neutronen in kurzer Zeit freigesetzt werden.
Bei einer Supernova-Explosion sind die Atomkerne dann in der Lage, alle diese freien Neutronen wegzufegen, bevor sie alle zerfallen (weshalb sie als schnell bezeichnet werden) und die r-Nukleosynthese induzieren. Sobald die Kerne mit Neutronen gefüllt sind, werden sie instabil und durchlaufen einen Beta-Zerfall, wodurch diese überschüssigen Neutronen in Protonen umgewandelt werden. Das Hinzufügen dieser Protonen ändert die Art des Elements, das der Kern darstellt, daher ist es eine Methode Erstellen Sie neue schwere Elemente Wie Gold, Platin und andere Edelmetalle. Das Gold in Ihrem Schmuck wurde vor Milliarden von Jahren durch den schnellen Einfang von Neutronen in einer Supernova hergestellt!
Neutronensterne
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Wie wir gesehen haben, können Neutronen außerhalb von Atomkernen nur unter extremsten Bedingungen überleben, und es gibt nur sehr wenige Orte im Universum, die extremer sind als diese Neutronensterne. Wie der Name schon sagt, sind dies Objekte, die fast ausschließlich aus Neutronen bestehen.
Neutronensterne sind die Überreste des Kerns eines Sterns, nachdem sein Kern zusammengebrochen und als Supernova explodiert ist. Die Explosion mag die äußeren Schichten des Sterns weggetragen haben, aber der schrumpfende Kern bleibt intakt.
Ohne Kernreaktionen zur Erzeugung von Energie gegen die Schwerkraft ist die Masse des Kerns so groß, dass er einem katastrophalen Gravitationskollaps unterliegt, bei dem der Gravitationsdruck groß genug ist, dass Protonen und Elektronen die elektrostatische Kraft zwischen ihnen überwinden und zusammenschlagen und zu einer Form verschmelzen können Neutronen in einer Art umgekehrtem Beta-Zerfall. . Fast alle Atome im Kern werden zu Neutronen, weshalb wir das Ergebnis Neutronenstern nennen. Es ist klein, nur 10-20 km breit, aber es drängt sich in die gesamte Masse des Kerns eines toten Sterns.
Der massereichste Neutronenstern, der jemals gefunden wurde, hat Masse 2,35 mal Größer als unsere Sonne, alles zusammengepfercht in einem winzigen Volumen. Wenn Sie einen Löffel Material von der Oberfläche eines Neutronensterns nehmen könnten, würde dieser Löffel so viel wiegen wie ein Berg auf der Erde!
Auch die Verschmelzungen zweier Neutronensterne, die als Kilonovas und über ihre Gravitationswellen nachgewiesen werden können, sind Orte der Nukleosynthese im produktiven r-Prozess. Das Kilonova Von zwei verschmelzenden Doppelsternen wurde ein Gravitationswellenausbruch ausgelöst GW 170.817 Die 16.000-fache Masse der Erde wurde in Form schwerer Elemente durch den r-Prozess erzeugt, darunter das Äquivalent von zehn Erdmassen Gold und Platindas ist außergewöhnlich!
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Zusätzliche Quellen
Erfahren Sie mehr über Neutronen mit US-Energieministerium (Öffnet in einem neuen Tab). Finden Sie heraus, wie Neutronen in Experimenten zur Untersuchung kondensierter Materie verwendet werden UK Science Technology Facilities Council (Öffnet in einem neuen Tab). Lies das Das berühmte B2FH-Papier (Öffnet in einem neuen Tab) Über die Entstehung von Elementen im Innern von Sternen mit Hilfe des Neutroneneinfangs.
Index
Teilchenphysik, von Brian R. Martin (2011, Eine-Welt-Veröffentlichungen) (Öffnet in einem neuen Tab)
Die Cambridge Encyclopedia of Stars, von James R. Anruf (2006, Cambridge University Press) (Öffnet in einem neuen Tab):
Collins Online assoziiertes Wörterbuch der Physik (2007, Collins) (Öffnet in einem neuen Tab)
Dieser Monat in der Geschichte der Physik. Websites der American Physical Society, APS News, Band 16, Ausgabe 5. Abgerufen am 1. Dezember 2022 von https://www.aps.org/publications/apsnews/200705/physichistory.cfm (Öffnet in einem neuen Tab)
Neutronenzerfall. direkte Wissenschaft. Abgerufen am 1. Dezember 2022 von https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/neutron-decay (Öffnet in einem neuen Tab)
