Nötron

Nötron ⓘ

Nötronun kuark içeriği. Her bir kuarkın renk ataması keyfidir, ancak her üç renk de mevcut olmalıdır. Kuarklar arasındaki kuvvetlere gluonlar aracılık eder.
Sınıflandırma	Baryon
Kompozisyon	1 yukarı kuark, 2 aşağı kuark
İstatistikler	Fermiyonik
Aile	Hadron
Etkileşimler	Yerçekimi, zayıf, güçlü, elektromanyetik
Sembol	n , n0 , N0
Antiparçacık	Antineutron
Teorileştirilmiş	Ernest Rutherford (1920)
Keşfedildi	James Chadwick (1932)
Kütle	1.67492749804(95)×10-27 kg 939.56542052(54) MeV/c2 1.00866491588(49) Da
Ortalama yaşam süresi	879.4(6) s (ücretsiz)
Elektrik yükü	0 e (-2±8)×10-22 e (deneysel sınırlar)
Elektrik dipol momenti	< 2,9×10-26 e⋅cm (deneysel üst sınır)
Elektrik polarizasyonu	1.16(15)×10-3 fm3
Manyetik moment	-0.96623650(23)×10-26 J-T-1 -1.04187563(25)×10-3 μB -1.91304273(45) μN
Manyetik polarize edilebilirlik	3,7(20)×10-4 fm3
Spin	1/2
İzospin	−1/2
Parite	+1
Yoğunlaştırılmış	I(JP) = 1/2(1/2+)

Nötron atom altı bir parçacıktır, sembolü
n
veya
n⁰
nötr (pozitif veya negatif değil) yüke ve protonunkinden biraz daha büyük bir kütleye sahiptir. Protonlar ve nötronlar atomların çekirdeklerini oluşturur. Protonlar ve nötronlar çekirdek içinde benzer şekilde davrandıklarından ve her birinin kütlesi yaklaşık bir atomik kütle birimine sahip olduğundan, her ikisi de nükleon olarak adlandırılır. Özellikleri ve etkileşimleri nükleer fizik tarafından tanımlanır. ⓘ

Bir atomun kimyasal özellikleri çoğunlukla atomun ağır çekirdeğinin yörüngesindeki elektronların konfigürasyonu tarafından belirlenir. Elektron konfigürasyonu, proton sayısı veya atom numarası ile belirlenen çekirdeğin yükü tarafından belirlenir. Nötronların sayısı nötron sayısıdır. Nötronlar elektron konfigürasyonunu etkilemez, ancak atom ve nötron sayılarının toplamı çekirdeğin kütlesini oluşturur. ⓘ

Bir kimyasal elementin sadece nötron sayısı bakımından farklılık gösteren atomlarına izotop denir. Örneğin, atom numarası 6 olan karbonun bol miktarda bulunan 6 nötronlu karbon-12 izotopu ve nadir bulunan 7 nötronlu karbon-13 izotopu vardır. Bazı elementler doğada flor gibi yalnızca bir kararlı izotopla ortaya çıkar; Diğer elementler, on kararlı izotopu olan kalay gibi birçok kararlı izotopla ortaya çıkar ve teknesyum gibi bazı elementlerin kararlı izotopu yoktur. ⓘ

Bir atom çekirdeğinin özellikleri hem atom hem de nötron sayısına bağlıdır. Çekirdek içindeki protonlar pozitif yükleriyle uzun menzilli elektromanyetik kuvvet tarafından itilirler, ancak çok daha güçlü olan kısa menzilli nükleer kuvvet nükleonları birbirine sıkı sıkıya bağlar. Nötronlar, tek protonlu hidrojen çekirdeği haricinde, çekirdeklerin kararlılığı için gereklidir. Nötronlar nükleer fisyon ve füzyonda bol miktarda üretilir. Fisyon, füzyon ve nötron yakalama süreçleri yoluyla yıldızlardaki kimyasal elementlerin nükleosentezine birincil katkıda bulunurlar. ⓘ

Nötron, nükleer enerji üretimi için çok önemlidir. Nötronun 1932 yılında James Chadwick tarafından keşfedilmesinden sonraki on yıl içinde, nötronlar birçok farklı nükleer dönüşüm türünü tetiklemek için kullanılmıştır. Nükleer fisyonun 1938'de keşfedilmesiyle birlikte, bir fisyon olayının nötron üretmesi halinde, bu nötronların her birinin nükleer zincirleme reaksiyon olarak bilinen bir kademede başka fisyon olaylarına neden olabileceği hızla fark edildi. Bu olaylar ve bulgular, kendi kendini idame ettiren ilk nükleer reaktörün (Chicago Pile-1, 1942) ve ilk nükleer silahın (Trinity, 1945) ortaya çıkmasını sağladı. ⓘ

Nötron jeneratörleri, araştırma reaktörleri ve spallasyon kaynakları gibi özel nötron kaynakları, ışınlama ve nötron saçılma deneylerinde kullanılmak üzere serbest nötronlar üretir. Serbest bir nötron kendiliğinden bir protona, bir elektrona ve bir antinötrinoya bozunur ve ortalama ömrü yaklaşık 15 dakikadır. Serbest nötronlar atomları doğrudan iyonlaştırmaz, ancak dolaylı olarak iyonlaştırıcı radyasyona neden olurlar, bu nedenle doza bağlı olarak biyolojik bir tehlike oluşturabilirler. Dünya üzerinde kozmik ışın yağmurları ve yerkabuğundaki kendiliğinden parçalanabilen elementlerin doğal radyoaktivitesinden kaynaklanan küçük bir doğal "nötron arka plan" serbest nötron akışı mevcuttur. ⓘ

Nötron ⓘ
Sınıflandırma
Atomaltı parçacık Fermiyon Hadron Baryon Nükleon Nötron
Özellikleri
Kütlesi: 1.674927351(74)×10-27 kg 939.565378 MeV/c2 1.00866491600 u Elektrik yükü: Yüksüz Spin: 1/2 Kuark bileşimi: 1 Yukarı, 2 Aşağı Kuark

James Chadwick adlı bilim insanı tarafından 1932 yılında keşfedilmiştir. Bu keşfinden dolayı 1935'te Nobel Fizik Ödülü almıştır. ⓘ

Hidrojen dışında tüm atomların çekirdeklerinde bulunurlar. Proton ile yaklaşık aynı kütleye sahiplerdir (1 a.k.b.). ⓘ

Nötronlar, elektron ve protonun birleşiminden oluşurlar. Kütleleri 8 ile 50 arası Güneş kütlesine sahip yıldızlar süpernovaya dönüşürken aşırı basınç sonucunda çekirdeğindeki atomları nötrona evrilir. Beta ışımasında, nötron bozunarak proton ve elektrona dönüşür. ⓘ

Açıklama

Bir atom çekirdeği, nükleer kuvvet tarafından birbirine bağlanan bir dizi proton, Z (atom numarası) ve bir dizi nötron, N (nötron sayısı) tarafından oluşturulur. Atom numarası atomun kimyasal özelliklerini, nötron sayısı ise izotop veya nüklidi belirler. İzotop ve nüklit terimleri genellikle eşanlamlı olarak kullanılır, ancak sırasıyla kimyasal ve nükleer özelliklere atıfta bulunurlar. İzotoplar aynı atom numarasına, ancak farklı nötron numarasına sahip nüklidlerdir. Aynı nötron sayısına ancak farklı atom numarasına sahip nüklidlere izoton denir. Atomik kütle numarası, A, atom ve nötron sayılarının toplamına eşittir. Aynı atomik kütle numarasına, ancak farklı atom ve nötron numaralarına sahip çekirdeklere izobar denir. ⓘ

Hidrojen atomunun en yaygın izotopunun (kimyasal sembolü ¹H olan) çekirdeği yalnız bir protondan oluşur. Ağır hidrojen izotopları döteryum (D veya ²H) ve trityumun (T veya ³H) çekirdekleri sırasıyla bir ve iki nötrona bağlı bir proton içerir. Diğer tüm atom çekirdeği türleri iki veya daha fazla proton ve çeşitli sayıda nötrondan oluşur. Örneğin, yaygın kimyasal element olan kurşunun en yaygın nüklidi olan ²⁰⁸Pb, 82 proton ve 126 nötrona sahiptir. Nüklidler tablosu bilinen tüm nüklidleri içermektedir. Kimyasal bir element olmamasına rağmen nötron da bu tabloda yer almaktadır. ⓘ

Serbest nötronun kütlesi 939565413.3 eV/c² veya 1.674927471×10-27 kg ya da 1.00866491588 Da'dır. Nötronun ortalama kare yarıçapı yaklaşık 0,8×10-15 m veya 0,8 fm'dir ve bir spin-½ fermiyonudur. Nötronun ölçülebilir bir elektrik yükü yoktur. Pozitif elektrik yükü ile proton elektrik alanlarından doğrudan etkilenirken, nötron elektrik alanlarından etkilenmez. Ancak nötronun manyetik bir momenti vardır, bu nedenle nötron manyetik alanlardan etkilenir. Nötronun manyetik momenti negatif bir değere sahiptir, çünkü yönü nötronun spininin tersidir. ⓘ

Serbest bir nötron kararsızdır, ortalama ömrü 15 dakikanın biraz altındadır (879,6±0,8 s) ve bir protona, elektrona ve antinötrinoya bozunur. Beta bozunumu olarak bilinen bu radyoaktif bozunma, nötronun kütlesinin protonunkinden biraz daha büyük olması nedeniyle mümkündür. Serbest proton kararlıdır. Bununla birlikte, bir çekirdeğe bağlı nötronlar veya protonlar, nüklide bağlı olarak kararlı veya kararsız olabilir. Nötronların protonlara ya da tersine bozunduğu beta bozunumu zayıf kuvvet tarafından yönetilir ve elektronların ve nötrinoların ya da bunların antiparçacıklarının emisyonunu ya da soğurulmasını gerektirir. ⓘ

Nükleer fisyon, bir nötronun uranyum-235 tarafından emilmesiyle oluşur. Ağır nüklit daha hafif bileşenlere ve ilave nötronlara parçalanır. ⓘ

Protonlar ve nötronlar çekirdek içindeki nükleer kuvvetin etkisi altında neredeyse aynı şekilde davranırlar. Proton ve nötronun aynı parçacığın iki kuantum durumu olarak görüldüğü izospin kavramı, nükleonların nükleer veya zayıf kuvvetlerle etkileşimlerini modellemek için kullanılır. Nükleer kuvvetin kısa mesafelerdeki gücü nedeniyle nükleonların bağlanma enerjisi, atomlardaki elektronları bağlayan elektromanyetik enerjiden yedi kat daha büyüktür. Nükleer reaksiyonlar (nükleer fisyon gibi) bu nedenle kimyasal reaksiyonların on milyon katından daha fazla bir enerji yoğunluğuna sahiptir. Kütle-enerji eşdeğerliği nedeniyle, nükleer bağlanma enerjileri çekirdeklerin kütlesini azaltır. Sonuç olarak, nükleer kuvvetin nükleer bileşenlerin elektromanyetik itişmesinden kaynaklanan enerjiyi depolama yeteneği, nükleer reaktörleri veya bombaları mümkün kılan enerjinin çoğunun temelini oluşturur. Nükleer fisyonda, bir nötronun ağır bir nüklit (örneğin uranyum-235) tarafından emilmesi, nüklidin kararsız hale gelmesine ve hafif nüklitlere ve ilave nötronlara ayrılmasına neden olur. Pozitif yüklü hafif nüklitler daha sonra elektromanyetik potansiyel enerjiyi serbest bırakarak itilir. ⓘ

Nötron bir hadron olarak sınıflandırılır, çünkü kuarklardan oluşan bileşik bir parçacıktır. Nötron aynı zamanda bir baryon olarak da sınıflandırılır, çünkü üç değerlik kuarkından oluşur. Nötronun sonlu boyutu ve manyetik momenti, nötronun temel parçacıktan ziyade bileşik bir parçacık olduğunu gösterir. Bir nötron -1/3e yüklü iki aşağı kuark ve +2/3e yüklü bir yukarı kuark içerir. ⓘ

Protonlar gibi nötronun kuarkları da gluonların aracılık ettiği güçlü kuvvet tarafından bir arada tutulur. Nükleer kuvvet, daha temel olan güçlü kuvvetin ikincil etkilerinden kaynaklanır. ⓘ

Keşif

Nötronun ve özelliklerinin keşfinin öyküsü, atom fiziğinde 20. yüzyılın ilk yarısında meydana gelen ve nihayetinde 1945'te atom bombasına yol açan olağanüstü gelişmelerin merkezinde yer almaktadır. 1911 Rutherford modelinde atom, negatif yüklü elektronlardan oluşan çok daha büyük bir bulutla çevrili pozitif yüklü küçük bir çekirdekten oluşuyordu. 1920'de Ernest Rutherford, çekirdeğin pozitif protonlardan ve nötr yüklü parçacıklardan oluştuğunu, bunların bir şekilde bağlanmış bir proton ve bir elektron olduğunu öne sürdü. Elektronların çekirdeğin içinde bulunduğu varsayılıyordu çünkü beta radyasyonunun çekirdekten yayılan elektronlardan oluştuğu biliniyordu. Rutherford'un nötr proton-elektron bileşimini önerdiği sıralarda, benzer önerilerde bulunan başka yayınlar da çıktı ve 1921'de Amerikalı kimyager W.D. Harkins varsayımsal parçacığı ilk kez "nötron" olarak adlandırdı. Bu isim Latince nötralis (nötr) kökünden ve Yunanca -on (elektron ve proton gibi atom altı parçacıkların isimlerinde kullanılan bir son ek) ekinden türemiştir. Bununla birlikte, nötron kelimesine atomla bağlantılı olarak yapılan atıflar literatürde 1899 gibi erken bir tarihte bulunabilir. ⓘ

1920'ler boyunca fizikçiler atom çekirdeğinin protonlardan ve "nükleer elektronlardan" oluştuğunu varsaydılar ancak ortada bariz sorunlar vardı. Çekirdek için proton-elektron modelini kuantum mekaniğinin Heisenberg belirsizlik ilişkisiyle uzlaştırmak zordu. Oskar Klein tarafından 1928'de keşfedilen Klein paradoksu, bir çekirdeğin içine hapsedilmiş elektron kavramına kuantum mekaniksel itirazlar getirdi. Atom ve moleküllerin gözlemlenen özellikleri, proton-elektron hipotezinden beklenen nükleer spin ile tutarsızdı. Hem protonlar hem de elektronlar 1/2ħ'lik bir içsel spin taşırlar. Aynı türün izotopları (yani aynı sayıda protona sahip olanlar) hem tamsayı hem de kesirli spine sahip olabilir, yani nötron spini de kesirli (1/2ħ) olmalıdır. Ancak bir nötronun kesirli spinini elde etmek için bir elektron ve bir protonun spinlerini (bir nötron oluşturmak için bağlanması gerekiyordu) düzenlemenin bir yolu yoktur. ⓘ

1931'de Walther Bothe ve Herbert Becker, polonyumdan gelen alfa parçacık radyasyonunun berilyum, bor veya lityum üzerine düştüğünde alışılmadık derecede nüfuz edici bir radyasyon üretildiğini buldular. Bu radyasyon bir elektrik alanından etkilenmediğinden Bothe ve Becker bunun gama radyasyonu olduğunu varsaydı. Ertesi yıl Paris'te Irène Joliot-Curie ve Frédéric Joliot-Curie, bu "gama" radyasyonunun parafin ya da hidrojen içeren başka bir bileşik üzerine düştüğünde çok yüksek enerjili protonlar fırlattığını gösterdi. Ne Rutherford ne de Cambridge'deki Cavendish Laboratuvarı'ndan James Chadwick gama ışını yorumuna ikna oldu. Chadwick hızla yeni radyasyonun protonla yaklaşık aynı kütleye sahip yüksüz parçacıklardan oluştuğunu gösteren bir dizi deney gerçekleştirdi. Bu parçacıklar nötronlardı. Chadwick bu keşfi için 1935 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı. ⓘ

Hidrojen, helyum, lityum ve neon atomlarındaki çekirdek ve elektron enerji seviyelerini gösteren modeller. Gerçekte, çekirdeğin çapı atomun çapından yaklaşık 100.000 kat daha küçüktür. ⓘ

Proton ve nötronlardan oluşan atom çekirdeği modelleri Werner Heisenberg ve diğerleri tarafından hızla geliştirilmiştir. Proton-nötron modeli nükleer spin bilmecesini açıklıyordu. Beta radyasyonunun kökenleri 1934 yılında Enrico Fermi tarafından, nötronun bir elektron ve (o zamanlar keşfedilmemiş) bir nötrino yaratarak protona bozunduğu beta bozunumu süreciyle açıklandı. 1935 yılında Chadwick ve doktora öğrencisi Maurice Goldhaber nötronun kütlesinin ilk doğru ölçümünü rapor ettiler. ⓘ

1934 yılına gelindiğinde Fermi, yüksek atom numaralı elementlerde radyoaktiviteyi tetiklemek için daha ağır elementleri nötronlarla bombardıman etti. Fermi, 1938 yılında "nötron ışınlamasıyla üretilen yeni radyoaktif elementlerin varlığını göstermesi ve yavaş nötronların neden olduğu nükleer reaksiyonlarla ilgili keşfi nedeniyle" Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. 1938'de Otto Hahn, Lise Meitner ve Fritz Strassmann nükleer fisyonu ya da uranyum çekirdeklerinin nötron bombardımanıyla hafif elementlere bölünmesini keşfettiler. Hahn 1945 yılında "ağır atom çekirdeklerinin parçalanmasını keşfettiği için" 1944 Nobel Kimya Ödülü'nü aldı. Nükleer fisyonun keşfi, İkinci Dünya Savaşı'nın sonuna kadar nükleer gücün ve atom bombasının geliştirilmesine yol açacaktır. ⓘ

Beta bozunumu ve çekirdeğin kararlılığı

Etkileşim halindeki protonlar, çekici nükleer etkileşimlerinden daha güçlü bir karşılıklı elektromanyetik itmeye sahip olduklarından, nötronlar birden fazla proton içeren herhangi bir atom çekirdeğinin gerekli bir bileşenidir (bkz. diproton ve nötron-proton oranı). Nötronlar çekirdekte protonlarla ve birbirleriyle nükleer kuvvet aracılığıyla bağlanarak protonlar arasındaki itici kuvvetleri etkili bir şekilde hafifletir ve çekirdeği stabilize eder. ⓘ

Bir çekirdeğe bağlı nötronlar ve protonlar, her bir nükleonun belirli, hiyerarşik bir kuantum durumuna bağlı olduğu kuantum mekaniksel bir sistem oluşturur. Protonlar çekirdek içinde nötronlara ya da tam tersi şekilde bozunabilir. Beta bozunumu olarak adlandırılan bu süreç, bir elektron veya pozitron ve buna bağlı bir nötrino yayılmasını gerektirir. Bu yayılan parçacıklar, bir nükleon bir kuantum durumundan daha düşük bir enerji durumuna düşerken, proton (veya nötron) bir nötrona (veya protona) dönüşürken enerji fazlasını taşır. Bu tür bozunma süreçleri ancak temel enerji korunumu ve kuantum mekaniksel kısıtlamalar izin verdiği takdirde gerçekleşebilir. Çekirdeklerin kararlılığı bu kısıtlamalara bağlıdır. ⓘ

Serbest nötron bozunumu

Çekirdeğin dışında, serbest nötronlar kararsızdır ve ortalama 879,6±0,8 s (yaklaşık 14 dakika, 40 saniye) ömre sahiptir; bu nedenle bu süreç için yarı ömür (ortalama ömürden ln(2) = 0,693 faktörü ile farklıdır) 610,1±0,7 s'dir (yaklaşık 10 dakika, 10 saniye). Bu bozunma sadece protonun kütlesi nötronunkinden daha az olduğu için mümkündür. Kütle-enerji denkliğine göre, bir nötron bu şekilde protona bozunduğunda daha düşük bir enerji durumuna ulaşır. Yukarıda açıklanan nötronun beta bozunumu, radyoaktif bozunma ile gösterilebilir:

n⁰
→
p⁺
+
e-
+
ν
e ⓘ

nerede
p⁺
,
e-
ve
ν
e sırasıyla proton, elektron ve elektron antinötrinosunu gösterir. Serbest nötron için bu sürecin bozunma enerjisi (nötron, proton ve elektron kütlelerine bağlı olarak) 0,782343 MeV'dir. Beta bozunumu elektronunun maksimum enerjisi (nötrinonun yok denecek kadar az miktarda kinetik enerji aldığı süreçte) 0.782±0.013 MeV olarak ölçülmüştür. Bu sayı nötrinonun nispeten küçük kalan kütlesini (teoride maksimum elektron kinetik enerjisinden çıkarılması gerekir) belirlemek için yeterince iyi ölçülmemiştir ve nötrino kütlesi diğer birçok yöntemle sınırlandırılmıştır. ⓘ

Serbest nötronların küçük bir kısmı (yaklaşık 1000'de biri) aynı ürünlerle bozunur, ancak yayılan bir gama ışını şeklinde fazladan bir parçacık ekler:

n⁰
→
p⁺
+
e-
+
ν
_e +
γ ⓘ

Bu gama ışını, yayılan beta parçacığının protonla elektromanyetik etkileşiminden kaynaklanan bir "iç bremsstrahlung" olarak düşünülebilir. İç bremsstrahlung gama ışını üretimi, bağlı nötronların beta bozunumlarının da küçük bir özelliğidir (aşağıda tartışıldığı gibi). ⓘ

Bir atomun çekirdeğini gösteren bir şema
β⁻
radyasyon, çekirdekten hızlı bir elektron emisyonu (eşlik eden antinötrino ihmal edilmiştir). Çekirdek için Rutherford modelinde kırmızı küreler pozitif yüklü protonlar, mavi küreler ise net yükü olmayan bir elektrona sıkıca bağlı protonlardır.
Ekte, bugün anlaşıldığı şekliyle serbest bir nötronun beta bozunumu gösterilmektedir; bu süreçte bir elektron ve antinötrino yaratılır. ⓘ

Nötron bozunumlarının çok küçük bir azınlığı (milyonda yaklaşık dört) "iki cisim (nötron) bozunumu" olarak adlandırılır; burada her zamanki gibi bir proton, elektron ve antinötrino üretilir, ancak elektron protondan kaçmak için gerekli 13,6 eV enerjiyi (hidrojenin iyonlaşma enerjisi) kazanamaz ve bu nedenle nötr bir hidrojen atomu ("iki cisimden biri") olarak ona bağlı kalır. Bu tür serbest nötron bozunumunda, nötron bozunum enerjisinin neredeyse tamamı antinötrino (diğer "cisim") tarafından taşınır. (Hidrojen atomu sadece ışık hızının yaklaşık (bozunma enerjisi)/(hidrojen dinlenme enerjisi) katı kadar bir hızla ya da 250 km/s hızla geri teper). ⓘ

Serbest bir protonun nötrona (artı bir pozitron ve bir nötrino) dönüşmesi enerjik olarak imkansızdır, çünkü serbest bir nötron serbest bir protondan daha büyük bir kütleye sahiptir. Ancak bir proton ile bir elektron ya da nötrinonun yüksek enerjili çarpışması bir nötron ile sonuçlanabilir. ⓘ

Bağlı nötron bozunumu

Serbest bir nötronun yarı ömrü yaklaşık 10,2 dakika iken, çekirdeklerdeki nötronların çoğu kararlıdır. Nükleer kabuk modeline göre, bir nüklidin protonları ve nötronları, benzersiz kuantum sayılarına sahip ayrı enerji seviyeleri halinde organize edilmiş kuantum mekaniksel bir sistemdir. Bir nötronun bozunması için, ortaya çıkan protonun ilk nötron durumundan daha düşük enerjide mevcut bir duruma ihtiyacı vardır. Kararlı çekirdeklerde olası düşük enerji durumlarının hepsi doludur, yani her biri spin yukarı ve spin aşağı olan iki proton tarafından işgal edilmiştir. Bu nedenle Pauli dışlama ilkesi, kararlı çekirdeklerde bir nötronun bir protona bozunmasına izin vermez. Durum, elektronların farklı atomik orbitallere sahip olduğu ve dışlama ilkesi tarafından bir foton emisyonu ile daha düşük enerji durumlarına bozunmalarının engellendiği bir atomun elektronlarına benzer. ⓘ

Kararsız çekirdeklerdeki nötronlar yukarıda açıklandığı gibi beta bozunumu yoluyla bozunabilir. Bu durumda, bozunmadan kaynaklanan proton için enerjik olarak izin verilen bir kuantum durumu mevcuttur. Bu bozunmanın bir örneği, yaklaşık 5.730 yıllık bir yarı ömürle nitrojen-14'e (7 proton, 7 nötron) bozunan karbon-14'tür (6 proton, 8 nötron). ⓘ

Bir çekirdeğin içinde, nötron için enerjik olarak izin verilen bir kuantum durumu mevcutsa, bir proton ters beta bozunumu yoluyla bir nötrona dönüşebilir. Bu dönüşüm bir pozitron ve bir elektron nötrinosunun yayılmasıyla gerçekleşir:

p⁺
→
n⁰
+
e⁺
+
ν
e ⓘ

Bir çekirdeğin içinde bir protonun nötrona dönüşmesi de elektron yakalama yoluyla mümkündür:

p⁺
+
e-
→
n⁰
+
ν
e

Fazla nötron içeren çekirdeklerde nötronlar tarafından pozitron yakalanması da mümkündür, ancak pozitronlar pozitif çekirdek tarafından itildikleri ve elektronlarla karşılaştıklarında hızla yok oldukları için engellenirler. ⓘ

Beta bozunumu türlerinin rekabeti

Rekabet halindeki üç tip beta bozunumu, yarı ömrü yaklaşık 12,7 saat olan tek izotop bakır-64 (29 proton, 35 nötron) ile gösterilmektedir. Bu izotopun bir eşleşmemiş protonu ve bir eşleşmemiş nötronu vardır, dolayısıyla ya proton ya da nötron bozunabilir. Bu özel nüklidin proton bozunmasına (pozitron emisyonu ile %18 veya elektron yakalama ile %43) veya nötron bozunmasına (elektron emisyonu ile %39) uğrama olasılığı neredeyse eşittir. ⓘ

Temel parçacık fiziği ile nötron bozunumu

Bir nötronun bir ara ağır W bozonu aracılığıyla protona, elektrona ve elektron antinötrinosuna beta bozunumu için Feynman diyagramı ⓘ

Parçacık fiziği için Standart Model'in teorik çerçevesi içinde, nötron iki aşağı kuark ve bir yukarı kuarktan oluşur. Nötron için baryon sayısını koruyan tek olası bozunma modu, nötronun kuarklarından birinin zayıf etkileşim yoluyla tat değiştirmesidir. Nötronun aşağı kuarklarından birinin daha hafif bir yukarı kuarka bozunması, bir W bozonunun yayılmasıyla sağlanabilir. Beta bozunumunun Standart Model açıklaması olan bu süreçle nötron bir protona (bir aşağı ve iki yukarı kuark içeren), bir elektrona ve bir elektron antinötrinosuna bozunur. ⓘ

için öncü mertebeden Feynman diyagramı
β⁺
Bir protonun bir ara madde aracılığıyla nötron, pozitron ve elektron nötrinosuna bozunması
W⁺
Bozon. ⓘ

Protonun nötrona bozunması da benzer şekilde elektrozayıf kuvvet aracılığıyla gerçekleşir. Protonun yukarı kuarklarından birinin aşağı kuarka bozunması, bir W bozonunun yayılmasıyla sağlanabilir. Proton bir nötrona, bir pozitrona ve bir elektron nötrinosuna bozunur. Bu reaksiyon yalnızca, yaratılan nötron için daha düşük enerjide bir kuantum durumuna sahip olan bir atom çekirdeği içinde gerçekleşebilir. ⓘ

İçsel özellikler

Kütle

Bir nötronun kütlesi, elektrik yükü olmadığı için kütle spektrometresi ile doğrudan belirlenemez. Ancak proton ve döteron kütleleri kütle spektrometresi ile ölçülebildiğinden, nötronun kütlesi proton kütlesinden döteron kütlesinin çıkarılmasıyla bulunabilir; aradaki fark nötronun kütlesi artı döteryumun bağlanma enerjisidir (pozitif yayılan enerji olarak ifade edilir). İkincisi, enerji ölçülerek doğrudan ölçülebilir ($B_{d}$) bir protonun bir nötronu yakalamasıyla bir döteron oluştuğunda yayılan tek 0,7822 MeV gama fotonudur (bu ekzotermiktir ve sıfır enerjili nötronlarla gerçekleşir). Küçük geri tepme kinetik enerjisi ($E_{rd}$) döteronun (toplam enerjinin yaklaşık %0,06'sı) da hesaba katılması gerekir.

$m_{n}=m_{d}-m_{p}+B_{d}-E_{rd}$ ⓘ

Gama ışınının enerjisi, ilk kez 1948 yılında Bell ve Elliot tarafından yapıldığı gibi, X-ışını kırınım teknikleri ile yüksek hassasiyette ölçülebilir. Bu teknikle nötron kütlesi için en iyi modern (1986) değerler Greene ve arkadaşları tarafından verilmiştir:

m_neutron = 1.008644904(14) Da ⓘ

Nötron kütlesinin MeV cinsinden değeri, Da'nın MeV/c²'ye bilinen dönüşümündeki daha az doğruluk nedeniyle daha az kesin olarak bilinmektedir:

m_neutron = 939.56563(28) MeV/c². ⓘ

Bir nötronun kütlesini belirlemek için kullanılan bir başka yöntem de nötronun beta bozunumundan başlayarak ortaya çıkan proton ve elektronun momentumlarının ölçülmesidir. ⓘ

Elektrik yükü

Bu sıfır değeri deneysel olarak test edilmiştir ve nötronun yükü için mevcut deneysel sınır -2(8)×10-22 e veya -3(13)×10-41 C'dir. Bu değer, deneysel belirsizlikler (parantez içinde belirtilmiştir) göz önüne alındığında sıfır ile tutarlıdır. Karşılaştırma yapmak gerekirse, protonun yükü +1 e'dir. ⓘ

Manyetik moment

Nötron nötr bir parçacık olmasına rağmen, nötronun manyetik momenti sıfır değildir. Nötron elektrik alanlarından etkilenmez, ancak manyetik alanlardan etkilenir. Nötronun manyetik momenti, kuark alt yapısının ve iç yük dağılımının bir göstergesidir. Nötronun manyetik momentinin değeri ilk kez 1940 yılında Luis Alvarez ve Felix Bloch tarafından Berkeley, Kaliforniya'da doğrudan ölçülmüştür. Alvarez ve Bloch nötronun manyetik momentini μn= -1.93(2) μN olarak belirlemişlerdir; burada μN nükleer magnetondur. ⓘ

Hadronlar için kuark modelinde, nötron bir yukarı kuark (yük +2/3 e) ve iki aşağı kuarktan (yük -1/3 e) oluşur. Nötronun manyetik momenti, kendisini oluşturan kuarkların manyetik momentlerinin toplamı olarak modellenebilir. Hesaplama, kuarkların noktasal Dirac parçacıkları gibi davrandığını ve her birinin kendi manyetik momentine sahip olduğunu varsayar. Basitçe, nötronun manyetik momenti, üç kuark manyetik momentinin vektörel toplamı artı üç yüklü kuarkın nötron içindeki hareketinin neden olduğu yörüngesel manyetik momentlerin sonucu olarak görülebilir. ⓘ

Standart Model'in ilk başarılarından birinde, 1964 yılında Mirza A.B. Beg, Benjamin W. Lee ve Abraham Pais proton ve nötron manyetik momentlerinin oranını teorik olarak -3/2 olarak hesaplamışlardır ki bu da deneysel değerle %3 oranında uyum göstermektedir. Bu oran için ölçülen değer -1.45989805'tir(34). Bu hesaplamanın kuantum mekaniksel temelinin Pauli dışlama ilkesiyle çelişmesi, 1964 yılında Oscar W. Greenberg tarafından kuarklar için renk yükünün keşfedilmesine yol açmıştır. ⓘ

Yukarıdaki işlem nötronları protonlarla karşılaştırmakta, kuarkların karmaşık davranışlarının modeller arasında çıkarılmasına izin vermekte ve sadece farklı kuark yüklerinin (veya kuark tipinin) etkilerinin ne olacağını araştırmaktadır. Bu tür hesaplamalar, nötronların iç kısmının protonlarınkine çok benzediğini göstermek için yeterlidir, ancak nötronda aşağı kuarkın protonda yukarı kuarkın yerini almasıyla kuark bileşimindeki farklılık hariçtir. ⓘ

Nötronun manyetik momenti, üç kuarktan oluşan baryonlar için basit, rölativistik olmayan, kuantum mekaniksel bir dalga fonksiyonu varsayarak kabaca hesaplanabilir. Basit bir hesaplama nötronların, protonların ve diğer baryonların manyetik momentleri için oldukça doğru tahminler verir. Bir nötron için bu hesaplamanın sonucu, nötronun manyetik momentinin μn= 4/3 μd - 1/3 μu ile verildiğidir; burada μd ve μu sırasıyla aşağı ve yukarı kuarkların manyetik momentleridir. Bu sonuç, kuarkların içsel manyetik momentlerini yörüngesel manyetik momentleriyle birleştirir ve üç kuarkın belirli, baskın bir kuantum durumunda olduğunu varsayar. ⓘ

Baryon	Manyetik moment kuark modelinin	Hesaplanmış ($\mu _{\mathrm {N} }$)	Gözlemlendi ($\mu _{\mathrm {N} }$) ⓘ
p	4/3 μu - 1/3 μd	2.79	2.793
n	4/3 μd - 1/3 μu	−1.86	−1.913

Bu hesaplamanın sonuçları cesaret vericidir, ancak yukarı veya aşağı kuarkların kütlelerinin bir nükleonun kütlesinin 1/3'ü olduğu varsayılmıştır. Kuarkların kütleleri aslında bir nükleonun kütlesinin sadece %1'i kadardır. Bu tutarsızlık, kütlelerinin çoğunun güçlü kuvvetin temel unsurları olan gluon alanları, sanal parçacıklar ve bunlarla ilişkili enerjiden kaynaklandığı nükleonlar için Standart Model'in karmaşıklığından kaynaklanmaktadır. Dahası, nötronu oluşturan karmaşık kuark ve gluon sistemi rölativistik bir muamele gerektirmektedir. Ancak nükleon manyetik momenti, bahsedilen tüm etkiler dahil edilerek ve kuark kütleleri için daha gerçekçi değerler kullanılarak ilk prensiplerden sayısal olarak başarılı bir şekilde hesaplanmıştır. Hesaplama, ölçümlerle oldukça uyumlu sonuçlar verdi, ancak önemli hesaplama kaynakları gerektirdi. ⓘ

Spin

Nötron bir spin 1/2 parçacığıdır, yani 1/2 ħ'ye eşit içsel açısal momentuma sahip bir fermiondur, burada ħ indirgenmiş Planck sabitidir. Nötronun keşfinden sonra uzun yıllar boyunca tam spini belirsizdi. Spin 1/2 Dirac parçacığı olduğu varsayılmasına rağmen, nötronun spin 3/2 parçacığı olma olasılığı devam etti. Sonunda nötronun spinini belirlemek için nötronun manyetik momentinin harici bir manyetik alanla etkileşimlerinden yararlanıldı. 1949'da Hughes ve Burgy ferromanyetik bir aynadan yansıyan nötronları ölçtüler ve yansımaların açısal dağılımının spin 1/2 ile tutarlı olduğunu buldular. 1954 yılında Sherwood, Stephenson ve Bernstein, nötron spin durumlarını ayırmak için manyetik alan kullanan bir Stern-Gerlach deneyinde nötronları kullandılar. Bir spin 1/2 parçacığı ile tutarlı olan bu tür iki spin durumu kaydettiler. ⓘ

Bir fermiyon olarak nötron, Pauli dışlama ilkesine tabidir; iki nötron aynı kuantum sayılarına sahip olamaz. Bu, nötron yıldızlarını mümkün kılan dejenerasyon baskısının kaynağıdır. ⓘ

Yük dağılımının yapısı ve geometrisi

2007'de yayınlanan ve modelden bağımsız bir analiz içeren bir makalede nötronun negatif yüklü bir dış kısmı, pozitif yüklü bir orta kısmı ve negatif bir çekirdeği olduğu sonucuna varılmıştır. Basitleştirilmiş bir klasik görüşe göre, nötronun negatif "derisi", çekirdekte etkileşime girdiği protonları çekmesine yardımcı olur; ancak nötronlar ve protonlar arasındaki ana çekim, elektrik yükü içermeyen nükleer kuvvet yoluyla gerçekleşir. ⓘ

Nötronun yük dağılımının basitleştirilmiş klasik görünümü, nötronun manyetik dipolünün spin açısal momentum vektörünün (protona kıyasla) ters yönünü işaret ettiği gerçeğini de "açıklar". Bu da nötrona negatif yüklü bir parçacığa benzeyen bir manyetik moment verir. Bu durum klasik olarak nötronun negatif alt parçalarının daha büyük bir ortalama dağılım yarıçapına sahip olduğu ve dolayısıyla parçacığın manyetik dipol momentine ortalama olarak çekirdeğe daha yakın olan pozitif parçalardan daha fazla katkıda bulunduğu bir yük dağılımından oluşan nötr bir nötronla uzlaştırılabilir. ⓘ

Elektrik dipol momenti

Parçacık fiziğinin Standart Modeli, nötron içinde pozitif ve negatif yükün küçük bir ayrımının kalıcı bir elektrik dipol momentine yol açtığını öngörmektedir. Ancak öngörülen değer, deneylerin mevcut hassasiyetinin oldukça altındadır. Parçacık fiziğindeki çözülmemiş birkaç bulmacadan, Standart Model'in tüm parçacıkların ve etkileşimlerinin nihai ve tam açıklaması olmadığı açıktır. Standart Model'in ötesine geçen yeni teoriler genellikle nötronun elektrik dipol momenti için çok daha büyük tahminlere yol açmaktadır. Şu anda, ilk kez sonlu bir nötron elektrik dipol momentini ölçmeye çalışan en az dört deney vardır:

• Institut Laue-Langevin'de kurulmakta olan kriyojenik nötron EDM deneyi
• Paul Scherrer Enstitüsü'ndeki yeni UCN kaynağında yapım aşamasında olan nEDM deneyi
• Spallation Neutron Source'ta öngörülen nEDM deneyi
• nEDM deneyi Institut Laue-Langevin'de inşa ediliyor ⓘ

Antineutron

Antinötron, nötronun karşıt parçacığıdır. Antiprotonun keşfinden bir yıl sonra, 1956 yılında Bruce Cork tarafından keşfedilmiştir. CPT-simetrisi parçacıkların ve antiparçacıkların göreli özelliklerine güçlü kısıtlamalar getirir, bu nedenle antinötronları incelemek CPT-simetrisi üzerinde sıkı testler sağlar. Nötron ve antinötronun kütlelerindeki kesirli fark (9±6)×10-5'tir. Aradaki fark sıfırdan sadece iki standart sapma uzakta olduğundan, bu CPT ihlaline dair ikna edici bir kanıt sunmaz. ⓘ

Nötron bileşikleri

Dineutronlar ve tetraneutronlar

CNRS Nükleer Fizik Laboratuvarı'nda Francisco-Miguel Marqués liderliğindeki bir ekip tarafından berilyum-14 çekirdeklerinin parçalanmasına ilişkin gözlemlere dayanarak 4 nötrondan oluşan kararlı kümelerin ya da tetranötronların varlığı varsayılmıştır. Bu özellikle ilginçtir çünkü mevcut teori bu kümelerin kararlı olmaması gerektiğini öne sürmektedir. ⓘ

Şubat 2016'da Tokyo Üniversitesi'nden Japon fizikçi Susumu Shimoura ve çalışma arkadaşları sözde tetranötronları ilk kez deneysel olarak gözlemlediklerini bildirdi. Dünyanın dört bir yanındaki nükleer fizikçiler, doğrulanması halinde bu keşfin nükleer fizik alanında bir dönüm noktası olacağını ve nükleer kuvvetlere ilişkin anlayışımızı kesinlikle derinleştireceğini söylüyor. ⓘ

Dineutron da bir başka varsayımsal parçacıktır. Michigan Eyalet Üniversitesi'nden Artemis Spyrou ve çalışma arkadaşları 2012 yılında ilk kez ¹⁶Be'nin bozunmasında dineutron emisyonunu gözlemlediklerini bildirmişlerdir. Dinötron karakteri, iki nötron arasındaki küçük bir emisyon açısı ile kanıtlanmaktadır. Yazarlar, bu kütle bölgesi için standart etkileşimleri kullanarak, kabuk modeli hesaplamalarıyla iyi bir uyum içinde, iki nötron ayırma enerjisini 1.35(10) MeV olarak ölçmüşlerdir. ⓘ

Nötronyum ve nötron yıldızları

Aşırı yüksek basınç ve sıcaklıklarda, nükleon ve elektronların nötronyum adı verilen yığın nötronik maddeye çöktüğüne inanılmaktadır. Bunun nötron yıldızlarında gerçekleştiği varsayılmaktadır. ⓘ

Bir nötron yıldızının içindeki aşırı basınç nötronları kübik bir simetriye dönüştürebilir ve nötronların daha sıkı bir şekilde paketlenmesini sağlayabilir. ⓘ

Tespit

Yüklü bir parçacığı iyonlaşma izi arayarak tespit etmenin yaygın yolu (bulut odasında olduğu gibi) nötronlar için doğrudan işe yaramaz. Atomlardan elastik olarak saçılan nötronlar tespit edilebilen bir iyonizasyon izi oluşturabilir, ancak deneylerin gerçekleştirilmesi o kadar kolay değildir; nötronları tespit etmek için atom çekirdekleriyle etkileşime girmelerine izin vermekten oluşan diğer araçlar daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle nötronları tespit etmek için yaygın olarak kullanılan yöntemler, temel olarak nötron yakalama veya elastik saçılma olmak üzere, dayanılan nükleer süreçlere göre kategorize edilebilir. ⓘ

Nötron yakalama ile nötron tespiti

Nötronları tespit etmek için yaygın bir yöntem, nötron yakalama reaksiyonlarından açığa çıkan enerjinin elektrik sinyallerine dönüştürülmesini içerir. Bazı nüklitler yüksek nötron yakalama kesitine sahiptir, bu da bir nötronu absorbe etme olasılığıdır. Nötron yakalandıktan sonra, bileşik çekirdek daha kolay tespit edilebilir radyasyon, örneğin bir alfa parçacığı yayar ve bu daha sonra tespit edilir. Nüklidler ³
O
, ⁶
Li
, ¹⁰
B
, ²³³
U
, ²³⁵
U
, ²³⁷
Np
ve ²³⁹
Pu
bu amaç için kullanışlıdır. ⓘ

Elastik saçılma ile nötron tespiti

Nötronlar çekirdeklerden elastik olarak saçılarak çarpılan çekirdeğin geri tepmesine neden olabilir. Kinematik olarak, bir nötron hidrojen veya helyum gibi hafif bir çekirdeğe daha ağır bir çekirdekten daha fazla enerji aktarabilir. Elastik saçılmaya dayanan dedektörlere hızlı nötron dedektörleri denir. Geri tepen çekirdekler iyonize olabilir ve çarpışmalar yoluyla başka atomları uyarabilir. Bu şekilde üretilen yük ve/veya sintilasyon ışığı, algılanan bir sinyal üretmek için toplanabilir. Hızlı nötron tespitindeki en büyük zorluk, bu tür sinyalleri aynı dedektörde gama radyasyonu tarafından üretilen hatalı sinyallerden ayırt etmektir. Nötron sinyallerini gama ışını sinyallerinden ayırt etmek için darbe şekli ayrımı gibi yöntemler kullanılabilir, ancak bazı inorganik sintilatör tabanlı dedektörler, karışık radyasyon alanlarındaki nötronları herhangi bir ek teknik olmadan doğal olarak seçici bir şekilde tespit etmek için geliştirilmiştir. ⓘ

Hızlı nötron dedektörleri moderatör gerektirmeme avantajına sahiptir ve bu nedenle nötronun enerjisini, varış zamanını ve bazı durumlarda geliş yönünü ölçebilir. ⓘ

Kaynaklar ve üretim

Serbest nötronlar kararsızdır, ancak birkaç büyüklük sırasına göre kararsız atom altı parçacıklar arasında en uzun yarı ömre sahiptirler. Yarılanma ömürleri hala sadece yaklaşık 10 dakikadır, bu nedenle sadece onları sürekli üreten kaynaklardan elde edilebilirler. ⓘ

Doğal nötron arka planı. Serbest nötronların küçük bir doğal arka plan akışı Dünya'nın her yerinde mevcuttur. Atmosferde ve okyanusun derinliklerinde "nötron arka planı", atmosferle kozmik ışın etkileşimi sonucu ortaya çıkan müonlardan kaynaklanır. Bu yüksek enerjili müonlar su ve toprağın önemli derinliklerine kadar nüfuz edebilir. Orada, atom çekirdeklerine çarparak, diğer reaksiyonların yanı sıra, çekirdekten bir nötronun serbest kaldığı spallasyon reaksiyonlarına neden olurlar. Yerkabuğunun içinde ikinci bir kaynak, öncelikle kabuk minerallerinde bulunan uranyum ve toryumun kendiliğinden parçalanmasıyla üretilen nötronlardır. Nötron arka planı biyolojik bir tehlike oluşturacak kadar güçlü değildir, ancak karanlık madde parçacıklarının neden olabileceği (varsayılan) etkileşimler gibi çok nadir olayları arayan çok yüksek çözünürlüklü parçacık dedektörleri için önemlidir. Son araştırmalar, fırtınaların bile onlarca MeV enerjiye sahip nötronlar üretebildiğini göstermiştir. Son araştırmalar bu nötronların akıcılığının algılama yüksekliğine bağlı olarak ms başına 10-9 ve m² başına 10-13 arasında olduğunu göstermiştir. Bu nötronların çoğunun enerjisi, başlangıç enerjileri 20 MeV olsa bile, 1 ms içinde keV aralığına düşer. ⓘ

Daha da güçlü nötron arka plan radyasyonu, atmosferin kozmik ışın müon üretiminden ve nötron parçalanmasından nötron üretecek kadar kalın olduğu, ancak üretilen nötronlardan önemli ölçüde koruma sağlayacak kadar kalın olmadığı Mars yüzeyinde üretilir. Bu nötronlar sadece doğrudan aşağı doğru giden nötron radyasyonundan kaynaklanan bir Mars yüzeyi nötron radyasyonu tehlikesi üretmekle kalmaz, aynı zamanda Mars yüzeyinden nötronların yansımasından kaynaklanan önemli bir tehlike de üretebilir, bu da bir Mars aracına veya habitatına zeminden yukarı doğru nüfuz eden yansıyan nötron radyasyonu üretecektir. ⓘ

Araştırma için nötron kaynakları. Bunlar arasında belirli radyoaktif bozunma türleri (spontane fisyon ve nötron emisyonu) ve belirli nükleer reaksiyonlar yer alır. Kullanışlı nükleer reaksiyonlar arasında, genellikle berilyum veya döteryum gibi belirli nüklitlerin doğal alfa ve gama bombardımanı gibi masa üstü reaksiyonları ve nükleer reaktörlerde meydana geldiği gibi indüklenmiş nükleer fisyon yer alır. Buna ek olarak, yüksek enerjili nükleer reaksiyonlar (kozmik radyasyon yağmurlarında veya hızlandırıcı çarpışmalarında meydana geldiği gibi) da hedef çekirdeklerin parçalanmasından nötronlar üretir. Bu şekilde serbest nötron üretmek için optimize edilmiş küçük (masa üstü) parçacık hızlandırıcılarına nötron jeneratörleri denir. ⓘ

Uygulamada, en yaygın olarak kullanılan küçük laboratuvar nötron kaynakları, nötron üretimine güç sağlamak için radyoaktif bozunmayı kullanır. Nötron üreten radyoizotoplardan biri olan kaliforniyum-252, fisyon başına 3,7 nötron üretimiyle zamanın %3'ünde kendiliğinden fisyona uğrayarak bozunur (yarı ömrü 2,65 yıl) ve bu süreçten elde edilen nötron kaynağı olarak tek başına kullanılır. Radyoizotoplarla çalışan nükleer reaksiyon kaynakları (iki malzeme içeren) bir alfa bozunumu kaynağı artı bir berilyum hedefi veya beta bozunumu ve ardından gama bozunumu geçiren bir kaynaktan gelen yüksek enerjili gama radyasyonu kaynağı kullanır, bu da yüksek enerjili gama ışınının sıradan kararlı berilyumla veya ağır sudaki döteryumla etkileşimi üzerine fotonötronlar üretir. İkinci türün popüler bir kaynağı, yarı ömrü 60,9 gün olan ve doğal antimondan (%42,8 kararlı antimon-123) bir nükleer reaktörde nötronlarla aktive edilerek inşa edilebilen ve daha sonra nötron kaynağının gerekli olduğu yere taşınabilen radyoaktif antimon-124 artı berilyumdur. ⓘ

Grenoble, Fransa'daki Institut Laue-Langevin (ILL) - büyük bir nötron araştırma tesisi. ⓘ

Nükleer fisyon reaktörleri doğal olarak serbest nötronlar üretir; bunların rolü enerji üreten zincirleme reaksiyonu sürdürmektir. Yoğun nötron radyasyonu, bir tür nötron yakalama olan nötron aktivasyonu süreci yoluyla çeşitli radyoizotoplar üretmek için de kullanılabilir. ⓘ

Deneysel nükleer füzyon reaktörleri atık ürün olarak serbest nötronlar üretir. Ancak enerjinin çoğuna sahip olan bu nötronlardır ve bu enerjiyi faydalı bir forma dönüştürmenin zor bir mühendislik sorunu olduğu kanıtlanmıştır. Nötron üreten füzyon reaktörlerinin radyoaktif atık yaratması muhtemeldir, ancak bu atıklar nötronla aktive olan hafif izotoplardan oluşur ve bu izotopların bozunma süreleri fisyon atıklarının 10.000 yıllık tipik yarı ömürlerine kıyasla nispeten kısadır (50-100 yıl). Bazı nükleer füzyon-fisyon hibritlerinin bu nötronları ya kritik altı bir reaktörü korumak ya da zararlı uzun ömürlü nükleer atıkların daha kısa ömürlü veya kararlı nüklitlere nükleer dönüşümüne yardımcı olmak için kullanması önerilmektedir. ⓘ

Nötron ışınları ve üretimden sonra ışınların modifikasyonu

Serbest nötron ışınları nötron kaynaklarından nötron taşınımı yoluyla elde edilir. Yoğun nötron kaynaklarına erişim için araştırmacıların bir araştırma reaktörü veya bir spallasyon kaynağı işleten özel bir nötron tesisine gitmeleri gerekir. ⓘ

Nötronun toplam elektrik yükünden yoksun olması, onu yönlendirmeyi veya hızlandırmayı zorlaştırır. Yüklü parçacıklar elektrik veya manyetik alanlarla hızlandırılabilir, yavaşlatılabilir veya saptırılabilir. Bu yöntemlerin nötronlar üzerinde çok az etkisi vardır. Ancak nötronun manyetik momenti nedeniyle homojen olmayan manyetik alanlar kullanılarak bazı etkiler elde edilebilir. Nötronlar ılımlılaştırma, yansıtma ve hız seçimini içeren yöntemlerle kontrol edilebilir. Termal nötronlar, fotonlar için Faraday etkisine benzer bir yöntemle manyetik malzemelerden geçirilerek polarize edilebilir. Dalga boyları 6-7 angstrom olan soğuk nötronlar, manyetik aynalar ve manyetize girişim filtreleri kullanılarak yüksek derecede polarizasyona sahip ışınlar halinde üretilebilir. ⓘ

Uygulamalar

Nötron birçok nükleer reaksiyonda önemli bir rol oynar. Örneğin, nötron yakalama genellikle nötron aktivasyonu ile sonuçlanır ve radyoaktiviteye neden olur. Özellikle nötronlar ve davranışları hakkındaki bilgiler, nükleer reaktörlerin ve nükleer silahların geliştirilmesinde önemli olmuştur. Uranyum-235 ve plütonyum-239 gibi elementlerin fisyona uğraması nötronları absorbe etmelerinden kaynaklanır. ⓘ

Soğuk, termal ve sıcak nötron radyasyonu, nötron saçılma tesislerinde yaygın olarak kullanılır; burada radyasyon, yoğunlaştırılmış maddenin analizi için X-ışınlarının kullanılmasına benzer şekilde kullanılır. Nötronlar, farklı saçılma tesir kesitleri ile atomik kontrastlar; manyetizmaya duyarlılık; elastik olmayan nötron spektroskopisi için enerji aralığı ve maddeye derinlemesine nüfuz etme açısından ikincisini tamamlayıcıdır. ⓘ

İçi boş cam kılcal tüpler içindeki toplam iç yansımaya veya çukurlu alüminyum plakalardan yansımaya dayanan "nötron lenslerinin" geliştirilmesi, nötron mikroskopisi ve nötron / gama ışını tomografisi üzerine devam eden araştırmaları yönlendirmiştir. ⓘ

Nötronların başlıca kullanım alanlarından biri de malzemelerdeki elementlerden gecikmeli ve hızlı gama ışınlarını uyarmaktır. Bu, nötron aktivasyon analizinin (NAA) ve hızlı gama nötron aktivasyon analizinin (PGNAA) temelini oluşturur. NAA çoğunlukla bir nükleer reaktördeki küçük malzeme örneklerini analiz etmek için kullanılırken, PGNAA çoğunlukla sondaj deliklerinin etrafındaki yeraltı kayalarını ve konveyör bantlarındaki endüstriyel dökme malzemeleri analiz etmek için kullanılır. ⓘ

Nötron yayıcıların bir başka kullanım alanı da hafif çekirdeklerin, özellikle de su moleküllerinde bulunan hidrojenin tespit edilmesidir. Hızlı bir nötron hafif bir çekirdekle çarpıştığında enerjisinin büyük bir kısmını kaybeder. Bir nötron sondası, yavaş nötronların hidrojen çekirdeklerinden yansıyarak sondaya geri dönme hızını ölçerek topraktaki su içeriğini belirleyebilir. ⓘ

Tıbbi tedaviler

Nötron radyasyonu hem nüfuz edici hem de iyonlaştırıcı olduğundan, tıbbi tedaviler için kullanılabilir. Ancak nötron radyasyonu, etkilenen bölgeyi radyoaktif bırakma gibi talihsiz bir yan etkiye sahip olabilir. Bu nedenle nötron tomografisi uygulanabilir bir tıbbi uygulama değildir. ⓘ

Hızlı nötron terapisi, kanseri tedavi etmek için tipik olarak 20 MeV'den büyük yüksek enerjili nötronlar kullanır. Kanserlerin radyasyon tedavisi, hücrelerin iyonlaştırıcı radyasyona verdiği biyolojik tepkiye dayanır. Radyasyon, kanserli bölgelere zarar vermek için küçük seanslar halinde verilirse, normal doku kendini onarmak için zamana sahip olurken, tümör hücreleri genellikle bunu yapamaz. Nötron radyasyonu, kanserli bir bölgeye gama radyasyonundan çok daha büyük bir oranda enerji sağlayabilir. ⓘ

Düşük enerjili nötron demetleri, kanseri tedavi etmek için bor nötron yakalama terapisinde kullanılır. Bor nötron yakalama terapisinde hastaya bor içeren ve hedeflenecek tümörde tercihen biriken bir ilaç verilir. Tümör daha sonra çok düşük enerjili nötronlarla (genellikle termal enerjiden daha yüksek olmasına rağmen) bombardımana tabi tutulur ve bu nötronlar bor içindeki bor-10 izotopu tarafından yakalanarak bor-11'in uyarılmış bir halini üretir ve daha sonra kötü huylu hücreyi öldürmek için yeterli enerjiye sahip ancak yakındaki hücrelere zarar vermek için yetersiz menzile sahip lityum-7 ve bir alfa parçacığı üretmek üzere bozunur. Böyle bir tedavinin kanser tedavisinde uygulanabilmesi için cm² başına saniyede bin milyon (10⁹) nötron yoğunluğuna sahip bir nötron kaynağı tercih edilir. Bu tür akılar bir araştırma nükleer reaktörü gerektirir. ⓘ

Koruma

Serbest nötronlara maruz kalmak tehlikeli olabilir, çünkü nötronların vücuttaki moleküllerle etkileşimi moleküllerde ve atomlarda bozulmaya neden olabilir ve ayrıca diğer radyasyon türlerine (protonlar gibi) yol açan reaksiyonlara neden olabilir. Normal radyasyondan korunma önlemleri geçerlidir: Maruz kalmaktan kaçının, kaynaktan mümkün olduğunca uzak durun ve maruz kalma süresini minimumda tutun. Ancak nötron maruziyetinden nasıl korunulacağı özellikle düşünülmelidir. Alfa parçacıkları, beta parçacıkları veya gama ışınları gibi diğer radyasyon türleri için, yüksek atom numarasına ve yüksek yoğunluğa sahip malzeme iyi bir kalkan oluşturur; sıklıkla kurşun kullanılır. Ancak bu yaklaşım nötronlarda işe yaramayacaktır çünkü nötronların emilimi alfa, beta ve gama radyasyonunda olduğu gibi atom numarasıyla doğrudan artmaz. Bunun yerine nötronların madde ile olan özel etkileşimlerine bakmak gerekir (yukarıdaki tespit bölümüne bakınız). Örneğin, hidrojen bakımından zengin malzemeler nötronlara karşı kalkan olarak kullanılır, çünkü sıradan hidrojen nötronları hem saçar hem de yavaşlatır. Bu genellikle basit beton blokların ve hatta parafin yüklü plastik blokların nötronlara karşı çok daha yoğun malzemelerden daha iyi koruma sağladığı anlamına gelir. Yavaşlatmanın ardından nötronlar, lityum-6 gibi ikincil yakalama radyasyonuna neden olmadan yavaş nötronlar için yüksek afiniteye sahip bir izotop ile absorbe edilebilir. ⓘ

Hidrojen bakımından zengin normal su, nükleer fisyon reaktörlerinde nötron emilimini etkiler: Genellikle nötronlar normal su tarafından o kadar güçlü bir şekilde emilir ki yakıtın bölünebilir izotopla zenginleştirilmesi gerekir. Ağır sudaki döteryum, nötronlar için protiumdan (normal hafif hidrojen) çok daha düşük bir soğurma afinitesine sahiptir. Bu nedenle CANDU tipi reaktörlerde nötron hızını yavaşlatmak (ılımlı hale getirmek) ve nötron yakalamaya kıyasla nükleer fisyon olasılığını artırmak için döteryum kullanılır. ⓘ

Nötron sıcaklığı

Termal nötronlar

Termal nötronlar, enerjileri oda sıcaklığında kT = 0.0253 eV (4.0×10-21 J) ile Maxwell-Boltzmann dağılımına sahip olan serbest nötronlardır. Bu da karakteristik (ortalama ya da medyan değil) 2.2 km/s hız verir. 'Termal' adı, enerjilerinin oda sıcaklığındaki gazın ya da nüfuz ettikleri malzemenin enerjisi olmasından gelir. (moleküllerin enerjileri ve hızları için kinetik teoriye bakınız). Çekirdeklerle bir dizi çarpışmadan sonra (genellikle 10-20 aralığında), nötronlar emilmedikleri sürece bu enerji seviyesine ulaşırlar. ⓘ

Birçok maddede, termal nötron reaksiyonları, daha hızlı nötronları içeren reaksiyonlardan çok daha büyük bir etkili tesir kesiti gösterir ve bu nedenle termal nötronlar, çarpıştıkları herhangi bir atom çekirdeği tarafından daha kolay (yani, daha yüksek olasılıkla) emilebilir ve sonuç olarak kimyasal elementin daha ağır - ve genellikle kararsız - bir izotopunu oluşturur. ⓘ

Çoğu fisyon reaktörü, nükleer fisyonla yayılan nötronları yavaşlatmak veya termalize etmek için bir nötron moderatörü kullanır, böylece daha kolay yakalanarak daha fazla fisyona neden olurlar. Hızlı üretken reaktörler olarak adlandırılan diğerleri ise fisyon enerjisi nötronlarını doğrudan kullanır. ⓘ

Soğuk nötronlar

Soğuk nötronlar, sıvı döteryum gibi çok soğuk bir madde içinde dengelenmiş termal nötronlardır. Böyle bir soğuk kaynak, bir araştırma reaktörünün veya spallasyon kaynağının moderatörüne yerleştirilir. Soğuk nötronlar özellikle nötron saçılma deneyleri için değerlidir. ⓘ

Yaklaşık sıvı hidrojen sıcaklığında nötron sağlayan soğuk nötron kaynağı ⓘ

Ultra soğuk nötronlar

Ultra soğuk nötronlar, katı döteryum veya süper akışkan helyum gibi birkaç kelvin sıcaklıkta düşük nötron soğurma kesitine sahip maddelerdeki soğuk nötronların elastik olmayan saçılmasıyla üretilir. Alternatif bir üretim yöntemi de Doppler kaymasından yararlanarak soğuk nötronların mekanik olarak yavaşlatılmasıdır. ⓘ

Fisyon enerjili nötronlar

Hızlı nötron, kinetik enerji seviyesi 1 MeV'e (1,6×10-13 J) yakın, dolayısıyla hızı ~14000 km/s (ışık hızının ~%5'i) olan serbest bir nötrondur. Düşük enerjili termal nötronlardan ve kozmik yağmurlarda veya hızlandırıcılarda üretilen yüksek enerjili nötronlardan ayırt etmek için fisyon enerjisi veya hızlı nötronlar olarak adlandırılırlar. Hızlı nötronlar nükleer fisyon gibi nükleer süreçler tarafından üretilir. Fisyonda üretilen nötronlar, yukarıda belirtildiği gibi, 0 ila ~14 MeV arasında bir Maxwell-Boltzmann kinetik enerji dağılımına, 2 MeV'lik bir ortalama enerjiye (²³⁵U fisyon nötronları için) ve sadece 0.75 MeV'lik bir moda sahiptir, bu da yarısından fazlasının hızlı olarak nitelendirilmediği anlamına gelir (ve bu nedenle ²³⁸U ve ²³²Th gibi verimli malzemelerde fisyon başlatma şansı neredeyse hiç yoktur). ⓘ

Hızlı nötronlar moderasyon adı verilen bir süreçle termal nötronlara dönüştürülebilir. Bu işlem bir nötron moderatörü ile yapılır. Reaktörlerde nötronları ılımlaştırmak için tipik olarak ağır su, hafif su veya grafit kullanılır. ⓘ

Füzyon nötronları

Füzyon reaksiyon hızı sıcaklıkla birlikte maksimuma ulaşana kadar hızla artar ve ardından kademeli olarak düşer. D-T oranı daha düşük bir sıcaklıkta (yaklaşık 70 keV veya 800 milyon kelvin) ve füzyon enerjisi için yaygın olarak düşünülen diğer reaksiyonlardan daha yüksek bir değerde zirve yapar. ⓘ

D-T (döteryum-trityum) füzyonu, 14,1 MeV kinetik enerjiye sahip olan ve ışık hızının %17'siyle hareket eden en enerjik nötronları üreten füzyon reaksiyonudur. D-T füzyonu aynı zamanda ateşlenmesi en kolay füzyon reaksiyonudur, döteryum ve trityum çekirdekleri üretilecek 14,1 MeV'lik kinetik enerjinin yalnızca binde biri kadar kinetik enerjiye sahipken bile neredeyse zirve hızlara ulaşır. ⓘ

14.1 MeV nötronlar fisyon nötronlarından yaklaşık 10 kat daha fazla enerjiye sahiptir ve kırılgan olmayan ağır çekirdekleri bile fisyona uğratmada çok etkilidir ve bu yüksek enerjili fisyonlar ortalama olarak daha düşük enerjili nötronların fisyonlarından daha fazla nötron üretir. Bu durum, önerilen tokamak güç reaktörleri gibi D-T füzyon nötron kaynaklarını transuranik atıkların transmutasyonu için kullanışlı hale getirmektedir. 14.1 MeV nötronlar da çekirdeklerden nötron kopararak nötron üretebilir. ⓘ

Öte yandan, bu çok yüksek enerjili nötronların fisyona veya parçalanmaya neden olmadan yakalanma olasılığı daha düşüktür. Bu nedenlerle, nükleer silah tasarımında daha fazla fisyona neden olmak için D-T füzyon 14.1 MeV nötronları yaygın olarak kullanılmaktadır. Füzyon nötronları, tükenmiş uranyum (uranyum-238) gibi normalde kırılgan olmayan malzemelerde fisyona neden olabilir ve bu malzemeler termonükleer silahların ceketlerinde kullanılmıştır. Füzyon nötronları ayrıca reaktör sınıfı plütonyum gibi birincil fisyon bombalarına dönüştürülmesi uygun olmayan ya da zor olan maddelerde de fisyona neden olabilir. Dolayısıyla bu fiziksel gerçek, silah sınıfı olmayan sıradan maddelerin bazı nükleer silahların yayılması tartışmaları ve anlaşmalarında endişe kaynağı haline gelmesine neden olmaktadır. ⓘ

Diğer füzyon reaksiyonları çok daha az enerjili nötronlar üretir. D-D füzyonu zamanın yarısında 2,45 MeV nötron ve helyum-3 üretir ve trityum ve bir proton üretir ancak zamanın geri kalanında nötron üretmez. D-³He füzyonu hiç nötron üretmez. ⓘ

Orta enerjili nötronlar

Termal spektrumlu bir reaktör olan hafif su reaktöründe transmutasyon akışı ⓘ

Yavaşlamış ancak henüz termal enerjilere ulaşmamış bir fisyon enerjili nötron epitermal nötron olarak adlandırılır. ⓘ

Hem yakalama hem de fisyon reaksiyonları için tesir kesitleri genellikle epitermal enerji aralığındaki belirli enerjilerde birden fazla rezonans zirvesine sahiptir. Bunlar, nötronların çoğunun bu aralığa yavaşlamadan önce soğurulduğu hızlı nötronlu bir reaktörde ya da epitermal nötronların bölünebilir ya da doğurgan aktinit çekirdeklerle değil, çoğunlukla moderatör çekirdeklerle etkileşime girdiği iyi ılımlı bir termal reaktörde daha az önem taşır. Ancak epitermal nötronların ağır metal çekirdekleriyle daha fazla etkileşime girdiği kısmen ılımlı bir reaktörde, reaktör kontrolünü daha zor hale getirebilecek geçici reaktivite değişiklikleri için daha büyük olasılıklar vardır. ⓘ

Yakalama reaksiyonlarının fisyon reaksiyonlarına oranı da plütonyum-239 gibi çoğu nükleer yakıtta daha kötüdür (fisyon olmadan daha fazla yakalama), bu da bu yakıtları kullanan epitermal spektrumlu reaktörleri daha az arzu edilir hale getirir, çünkü yakalamalar sadece yakalanan bir nötronu boşa harcamakla kalmaz, aynı zamanda genellikle termal veya epitermal nötronlarla fisil olmayan, ancak yine de hızlı nötronlarla fisil olabilen bir nüklitle sonuçlanır. Bunun istisnası, tüm nötron enerjilerinde iyi yakalama-fisyon oranlarına sahip olan toryum döngüsündeki uranyum-233'tür. ⓘ

Yüksek enerjili nötronlar

Yüksek enerjili nötronlar fisyon enerjili nötronlardan çok daha fazla enerjiye sahiptir ve parçacık hızlandırıcıları tarafından veya atmosferde kozmik ışınlardan ikincil parçacıklar olarak üretilir. Bu yüksek enerjili nötronlar iyonizasyonda son derece etkilidir ve hücre ölümüne neden olma olasılığı X-ışınları veya protonlardan çok daha yüksektir. ⓘ