Neutron

Rozbalit box

Obsah boxu

Neutron (symbol n nebo n⁰) je subatomární částice bez čistého elektrického náboje, která se nachází v jádře téměř každého atomu (s výjimkou nejběžnějšího izotopu vodíku, protia, které obsahuje pouze jeden proton). Společně s protony tvoří neutrony skupinu částic nazývanou nukleony. Přestože má nulový celkový náboj, je složen z nabitých částic zvaných kvarky a má nenulový magnetický moment.

Hmotnost neutronu je nepatrně vyšší než hmotnost protonu. Volné neutrony, které nejsou vázány v atomovém jádře, jsou nestabilní a podléhají beta rozpadu se střední dobou života přibližně 15 minut (879,6 sekund). Rozpadají se na proton, elektron a elektronové antineutrino. Neutrony vázané v jádrech jsou obvykle stabilní díky silné jaderné síle. Hrají klíčovou roli ve stabilitě atomových jader a jsou nezbytné pro existenci většiny chemických prvků.

📝 Základní vlastnosti

Neutron patří mezi baryony a je složen ze tří kvarků. Jeho spin je ½, což znamená, že se řadí mezi fermiony a podléhá Pauliho vylučovacímu principu. Tento princip znemožňuje, aby dva identické fermiony zaujímaly stejný kvantový stav, což je zásadní pro strukturu atomových jader.

Elektrický náboj: Neutron má nulový celkový elektrický náboj. Experimentální měření stanovila horní hranici pro jakýkoli možný náboj na méně než 2×10⁻²² elementárního náboje. Ačkoliv je navenek neutrální, jeho vnitřní struktura je tvořena nabitými kvarky, jejichž náboje se navzájem vyruší. Tato vnitřní distribuce náboje je zodpovědná za jeho nenulový magnetický dipólový moment.
Hmotnost: Hmotnost neutronu je přibližně 939,565 MeV/c², což odpovídá 1,6749 × 10⁻²⁷ kg. Je tedy asi o 0,14 % hmotnější než proton. Tento malý rozdíl v hmotnosti je klíčový pro stabilitu vesmíru, protože umožňuje rozpad volného neutronu na proton, ale ne naopak (kromě specifických jaderných procesů).
Magnetický moment: Přestože je elektricky neutrální, neutron má magnetický moment o velikosti přibližně −1,913 nukleárního magnetonu (μN). Znaménko mínus značí, že orientace jeho magnetického momentu je opačná k jeho spinu. Existence magnetického momentu byla překvapivým zjištěním a je přímým důkazem jeho vnitřní kvarkové struktury.

🔬 Složení a struktura

Podle Standardního modelu částicové fyziky není neutron elementární částicí. Je to složená částice, konkrétně hadron patřící do skupiny baryonů. Skládá se ze tří valenčních kvarků: jednoho kvarku "up" (s nábojem +⅔ e) a dvou kvarků "down" (každý s nábojem −⅓ e). Součet těchto nábojů (+⅔ −⅓ −⅓) dává výsledný nulový náboj.

Tyto kvarky jsou uvnitř neutronu drženy pohromadě extrémně silnou silnou interakcí, kterou zprostředkovávají částice zvané gluony. Silná interakce působí mezi kvarky a je zodpovědná za více než 99 % hmotnosti neutronu. Samotné klidové hmotnosti kvarků tvoří jen malý zlomek celkové hmotnosti; zbytek pochází z kinetické energie kvarků a energie gluonového pole, jak popisuje kvantová chromodynamika.

⏳ Historie objevu

Existence neutronu byla poprvé teoreticky předpovězena Ernestem Rutherfordem v roce 1920. Na základě rozdílu mezi atomovým číslem (počtem protonů) a hmotnostním číslem prvků spekuloval, že v jádře musí existovat neutrální částice s hmotností podobnou protonu. Tuto hypotetickou částici si představoval jako spojený stav protonu a elektronu.

Experimentální potvrzení přišlo až v roce 1932 díky práci anglického fyzika Jamese Chadwicka. Chadwick studoval záření vznikající při bombardování beryllia částicemi alfa. Toto záření, původně považované za záření gama, bylo schopno vyrážet protony z parafínu, což bylo s hypotézou gama záření v rozporu. Chadwick správně interpretoval, že se jedná o proud neutrálních částic s hmotností srovnatelnou s protonem. Tuto částici pojmenoval neutron. Za tento objev obdržel v roce 1935 Nobelovu cenu za fyziku.

⚛️ Role v atomovém jádře

Neutrony jsou spolu s protony základními stavebními kameny atomových jader. Jejich přítomnost je klíčová pro stabilitu jader obsahujících více než jeden proton. Protony, které mají kladný náboj, se navzájem silně elektrostaticky odpuzují. Silná interakce, která působí mezi všemi nukleony (protony i neutrony), je na krátké vzdálenosti mnohem silnější než toto odpuzování a drží jádro pohromadě.

Neutrony přispívají k silné interakci, aniž by zvyšovaly elektrostatické odpuzování. U lehkých prvků je poměr neutronů a protonů přibližně 1:1. U těžších prvků je však potřeba více neutronů, aby "naředily" odpudivé síly mezi protony. Například jádro uranu-238 obsahuje 92 protonů a 146 neutronů.

Atomy stejného prvku, které se liší pouze počtem neutronů v jádře, se nazývají izotopy. Například vodík má tři hlavní izotopy: protium (0 neutronů), deuterium (1 neutron) a tritium (2 neutrony). Zatímco chemické vlastnosti izotopů jsou téměř totožné, jejich jaderné vlastnosti (jako stabilita nebo radioaktivita) se mohou dramaticky lišit.

☢️ Radioaktivní rozpad

Volný neutron, který není vázán v atomovém jádře, je nestabilní částicí. Podléhá beta mínus rozpadu, což je proces řízený slabou interakcí. Během tohoto rozpadu se neutron transformuje na proton, elektron a elektronové antineutrino.

n⁰ → p⁺ + e⁻ + ν̅ₑ

Střední doba života volného neutronu je přibližně 879,6 sekundy (asi 14 minut a 40 sekund). Tento proces je energeticky možný, protože neutron je o něco hmotnější než součet hmotností produktů rozpadu. Přebytečná hmotnost se přemění na kinetickou energii vzniklých částic.

Naopak neutrony vázané ve stabilních atomových jádrech se nerozpadají. Energie, která by se uvolnila při rozpadu, by byla menší než vazebná energie, která neutron v jádře drží. Rozpad je tak energeticky nevýhodný. U nestabilních jader bohatých na neutrony (tzv. neutronové zářiče) však k beta rozpadu neutronů dochází a je to hlavní příčina jejich radioaktivity.

💥 Interakce s hmotou

Jelikož jsou neutrony elektricky neutrální, neinteragují s elektronovými obaly atomů a pronikají hluboko do hmoty. Jejich hlavní interakce probíhají přímo s atomovými jádry. Tyto interakce lze rozdělit do dvou hlavních kategorií:

Pružný a nepružný rozptyl: Při rozptylu se neutron odrazí od jádra, přičemž mu předá část své kinetické energie. Tento proces je základem pro moderaci (zpomalování) neutronů v jaderných reaktorech. Látky s lehkými jádry, jako je voda, těžká voda nebo grafit, jsou účinnými moderátory.
Záchyt neutronu (absorpce): Jádro může neutron pohltit, čímž vznikne těžší izotop daného prvku. Tento nový izotop může být nestabilní a dále se radioaktivně rozpadat. Tento proces, známý jako neutronová aktivace, se využívá v neutronové aktivační analýze k určení stopového množství prvků ve vzorku.

Zvláštním a velmi důležitým případem absorpce je jaderné štěpení. U některých těžkých jader (např. uran-235 nebo plutonium-239) může záchyt neutronu způsobit rozštěpení jádra na dvě menší části, přičemž se uvolní obrovské množství energie a další neutrony. Tyto nově vzniklé neutrony mohou vyvolat štěpení dalších jader, což vede k řetězové reakci, která je základem jaderné energetiky i jaderných zbraní.

🔧 Využití v praxi

Neutrony mají široké uplatnění ve vědě, medicíně a průmyslu.

Výroba energie: V jaderných reaktorech je řízená řetězová reakce štěpení jader zdrojem tepla, které se využívá k výrobě elektrické energie.
Výzkum materiálů: Neutronový rozptyl je mocná technika pro zkoumání struktury a dynamiky materiálů na atomární úrovni. Neutrony jsou citlivé na magnetické vlastnosti a na lehké prvky jako vodík, což je výhodné oproti rentgenové difrakci. Využívá se v fyzice pevných látek, chemii a biologii.
Medicína: Borová neutronová záchytová terapie (BNCT) je experimentální metoda léčby rakoviny. Pacientovi je podána sloučenina obsahující bor-10, která se hromadí v nádorových buňkách. Následně je oblast ozářena nízkoenergetickými neutrony. Záchytem neutronu v boru vzniká částice alfa, která zničí okolní nádorovou buňku s minimálním poškozením zdravé tkáně.
Neutronová aktivační analýza (NAA): Extrémně citlivá metoda pro zjišťování prvkového složení materiálu. Vzorek se ozáří neutrony, čímž se některé jeho atomy stanou radioaktivními. Analýzou záření gama, které tyto atomy následně emitují, lze přesně určit přítomnost i velmi malých koncentrací různých prvků.

🌌 Neutrony ve vesmíru

Neutrony hrají zásadní roli v astrofyzikálních procesech. Během výbuchů supernov vznikají extrémně husté a horké podmínky, které umožňují vznik prvků těžších než železo prostřednictvím procesů záchytu neutronů (tzv. r-proces a s-proces).

Extrémním příkladem role neutronů jsou neutronové hvězdy, což jsou pozůstatky po kolapsu hmotných hvězd. Jsou to jedny z nejhustších objektů ve vesmíru. Gravitační tlak je v nich tak obrovský, že dochází k procesu inverzního beta rozpadu, kdy jsou elektrony vtlačeny do protonů za vzniku neutronů. Hmota neutronové hvězdy je tedy tvořena převážně neutrony, které jsou natěsnány na sebe v stavu nazývaném neutronově degenerovaná hmota. Lžička materiálu z neutronové hvězdy by vážila miliardy tun.

⚔ Současný výzkum a nevyřešené otázky

Přestože je neutron znám již téměř sto let, stále zůstává předmětem intenzivního výzkumu a některé jeho vlastnosti nejsou plně pochopeny.

Záhada doby života neutronu: Existuje přetrvávající nesrovnalost (přesahující 4 směrodatné odchylky) mezi výsledky měření doby života neutronu pomocí dvou různých experimentálních metod. "Lahvová" metoda (počítání zbývajících neutronů v magnetické pasti) dává systematicky nižší hodnotu než "svazková" metoda (počítání protonů vzniklých rozpadem v letícím svazku neutronů). Příčina tohoto rozdílu je jednou z velkých záhad současné částicové fyziky a mohla by naznačovat existenci nové, dosud neznámé fyziky, například rozpad neutronu na částice temné hmoty.
Elektrický dipólový moment (EDM) neutronu: Standardní model předpovídá velmi malý, ale nenulový elektrický dipólový moment neutronu. Jeho existence by znamenala porušení CP symetrie a mohla by pomoci vysvětlit, proč ve vesmíru převažuje hmota nad antihmotou. Doposud provedené experimenty žádný EDM nezměřily, pouze stanovily jeho horní hranici. Další zpřesňování těchto měření je jednou z priorit experimentální fyziky.

⚛️ Pro laiky

Představte si atom jako malou sluneční soustavu. Uprostřed je velmi husté a těžké jádro (jako Slunce) a kolem něj obíhají lehké elektrony (jako planety). Jádro se skládá ze dvou typů "kuliček": protonů a neutronů.

Protony mají kladný elektrický náboj. Dalo by se říct, že se navzájem "nemají rády" a snaží se od sebe odtlačit, podobně jako dva stejné póly magnetu.
Neutrony nemají žádný náboj. Jsou to takoví neutrální prostředníci. Jejich hlavním úkolem v jádře je působit jako "lepidlo". Přidávají do jádra silnou přitažlivou sílu (silná interakce), která překoná odpuzování mezi protony a drží celé jádro pohromadě.

Bez neutronů by jádra všech prvků těžších než vodík byla nestabilní a okamžitě by se rozpadla kvůli elektrickému odpuzování protonů. Neutrony jsou tedy naprosto nezbytné pro existenci světa tak, jak ho známe – od kyslíku, který dýcháme, po uhlík v našem těle a křemík v počítačích.

Zdroje