نوترون چیست؟ — به زبان ساده

نوترون به ذره‌ای زیراتمی می‌گویند که در تمامی اتم‌ها به غیر از هیدروژن وجود دارد. این ذره، هیچ بار الکتریکی ندارد و «جرم سکون» (Rest Mass) آن برابر با $$1.67493 × 10 ^ {−27} kg$$ و مقداری بیش‌تر از جرم پروتون است اما این جرم، در حدود 1839 برابر بزرگ‌تر از جرم الکترون ذکر می‌شود. پروتون‌ها و نوترون‌ها را به طور معمول «نوکلئون» (Nucleon) می‌نامند که در بخش داخلی و چگال یک اتم، موسوم به هسته قرار دارند و این هسته، 99/9 درصد از جرم یک اتم را تشکیل می‌دهد.

مقدمه

توسعه‌های علم فیزیک در قرن بیستم نشان داد که نه پروتون و نه نوترون، هیچ‌کدام جزو ذرات بنیادی به شمار نمی‌آیند و از ذرات دیگری موسوم به «کوارک‌ها» (Quarks) تشکیل شده‌اند. خواص شیمیایی یک اتم به طور معمول توسط آرایش الکترون‌های اطراف هسته تعیین می‌شود. آرایش الکترونی نیز به کمک بار هسته، یعنی تعداد پروتون‌ها یا همان عدد اتمی تعیین می‌شود. نوترون‌ها تاثیری بر آرایش الکترونی ندارند اما بر جرم هسته تاثیرگذار هستند.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

ایزوتوپ

به اتم‌هایی از یک عنصر شیمیایی که تنها در تعداد نوترون با یکدیگر تفاوت دارند، ایزوتوپ می‌گویند. به طور مثال، در کربن با عدد اتمی ۶، دو ایزوتوپ کربن-۱۲ و کربن-۱۳ داریم که در اولی، ۶ نوترون و در دومی، ۷ نوترون خواهیم داشت. برخی عنصرها همچون فلوئور نیز تنها یک ایزوتوپ دارند و همچنین، عنصری مانند قلع، در حدود ۱۰ ایزوتوپ پایدار دارد.

نقش نوترون در پایداری هسته

خواص هسته اتم به عدد اتمی و تعداد نوترون‌ها وابسته است. بار مثبت هسته سبب می‌شود تا پروتون‌های موجود در هسته توسط نیروهای الکترومغناطیس دفع شوند. این نیروهای الکترومغناطیس، گستره وسیعی دارند اما نیروهایی قوی‌تر با گستره کوتاه‌تر موسوم به «نیروی هسته‌ای»‌ (Nuclear Force)، نوکلئون‌ها را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد. به غیر هیدروژن، برای پایداری یک اتم به نوترون‌ها نیاز داریم.

نوترون و همجوشی هسته‌ای

نوترون به مقدار زیادی در فرآیند همجوشی هسته‌ای به تولید می‌رسد. همچنین، در تولید انرژی هسته‌ای، وجود نوترون‌ها بخش اعظمی را تشکیل می‌دهد. یک دهه بعد از کشف نوترون توسط «جیمز چادویک» (James Chadwick) در سال 1932، از نوترون در بسیاری از «تراجهش‌های هسته‌ای» (Neutron Transmutation) استفاده شد.

با کشف شکافت هسته‌ای در سال 1938، دانشمندان به سرعت دریافتند که اگر در اثر شکافت هسته‌ای، نوترون تولید شود، هرکدام از این نوترون‌ها نیز موجب ایجاد شکافت هسته‌ای دیگری می‌شوند که این فرآیند، «واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای» (Nuclear Chain Reaction) نام گرفت. در اثر این کشفیات بود که اولین راکتور هسته‌ای در سال 1942 و اولین سلاح هسته‌ای در سال 1945 شکل گرفتند.

توصیف نوترون

هسته اتم از پروتون (عدد اتمی) و نوترون (عدد نوترونی) تشکیل شده است. این پروتون‌ها و نوترون‌ها به کمک نیروی هسته‌ای در کنار یکدیگر نگه داشته شده‌اند. عدد اتمی، خواص شیمیایی اتم و عدد نوترونی، تعداد ایزوتوپ را تعیین می‌کند. معمولا از عبارات ایزوتوپ و «نوکلید» (Nuclide) به صورت معادل استفاده می‌کنند اما این عبارات به ترتیب بیانگر خواص شیمیایی و هسته‌ای هستند. در حقیقت، ایزوتوپ‌ها، نوکلیدهایی با عدد اتمی یکسان و عدد نوترونی متفاوت هستند.

نوکلیدهایی که عدد نوترونی یکسان و عدد اتمی متفاوتی دارند را با نام «ایزوتون» (Isotone) می‌شناسند. عدد جرمی $$(A)$$ به مجموع عدد اتمی و عدد نوترونی گفته می‌شود و نوکلیدهایی که عدد جرمی یکسان و عدد اتمی و نوترونی متفاوتی داشته باشند را «ایزوبار» (Isobar) می‌نامند. نوترون‌های آزاد، جرمی برابر با $$1.674927471×10 ^ {−27} kg$$ و باری خنثی دارند به گونه‌ای که بر خلاف پروتون، میدان‌های الکتریکی بر روی آن‌‌ها تاثیری ندارند اما با توجه به دارا بودن گشتاور مغناطیسی (ممان مغناطیسی)، میدان‌های مغناطیسی بر نوترون‌ها تاثیرگذارند.

نوترون‌های آزاد، ذره‌های ناپایدار هستند که در اثر واپاشی به الکترون، پروتون و «پاد نوترینو» (Antineutrino) با عمر متوسط کمتر از ۱۵ دقیقه تبدیل می‌شود. به این نوع از واپاشی رادیواکتیو، «واپاشی بتا» (Beta Decay) می‌گویند که با توجه به جرم بیش‌تر نوترون، نسبت به پروتون، انجام‌پذیر است.

کشف نوترون

فرآیند کشف نوترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و خواص آن‌ها به پیشرفت‌های فیزیک اتمی در اوایل قرن بیستم بازمی‌گردد که در نهایت، به تولید بمب اتم در سال 1945 منجر شد. در مدل اتمی رادرفورد (1911)، اتم از هسته کوچک سنگین و بارداری به همراه ابری از الکترون‌های منفی تشکیل شده بود. در سال 1920، رادرفورد پیشنهاد داد که هسته اتم از پروتون‌های مثبت و ذراتی خنثی ـ به نام پروتون - تشکیل شده است. فرض می‌شد که الکترون‌ها در کنار هسته قرار دارند زیرا تابش پرتوهای بتا شامل الکترون‌های گسیل‌شده از هسته بود.

رادرفورد، این ذرات خنثی را نوترون نامید. در طول دهه ۱۹۲۰، فیزکدانان فرض می‌کردند که هسته اتم از پروتون و «الکترون‌های هسته‌ای» (Nuclear Electrons) تشکیل شده است. اما در این فرض مشکلاتی وجود داشت از جمله این‌که تطبیق مدل پروتون-الکترون هسته با عدم قطعیت هایزنبرگ در کوانتوم، تطابق نداشت. همچنین، در سال 1928، ایرادات دیگری را به کمک مکانیک کوانتومی بر مدل پروتون-الکترون وارد کردند.

در سال 1931، «والتر بوث» (Walther Bothe) و «هربرت بکر» (Herbert Becker) متوجه شدند که اگر پرتوهای ذرات آلفا (از پولونیوم) به برلیم، بور یا لیتیوم تابیده شوند، تابشی غیرمعمول خواهند داشت. میدان الکتریکی بر این پرتوها تاثیری نداشتند، در نتیجه، بکر و بوث فرض کردند که پرتوها از نوع پرتو گاما هستند. یک سال بعد، «آیرین ژولیت کوری» (Irène Joliot-Curie) - دختر ماری کوری - و «فردریک ژولیت کوری» (Frédéric Joliot-Curie) نشان دادند که اگر این پرتو گاما بر روی پارافین یا هر ترکیب دیگری شامل هیدروژن، تابیده شود، پروتون‌هایی با انرژی بسیار زیاد خارج می‌کند. اما جیمز چادویک و رادرفورد، هیچ‌کدام تحت تاثیر این تفسیر قرار نگرفتند. چادویک به سرعت، آزمایش‌هایی را ترتیب داد  که نشان می‌دادند این تابش جدید، از ذرات بدون باری با جرم نزدیک به پروتون تشکیل شده‌اند. در حقیقت این ذرات، همان نوترون‌ها بودند که در سال 1935، به خاطر کشف این مهم، جایزه نوبل فیزیک را به چادویک اختصاص دادند.

خواص نوترون

در ادامه، به طور خلاصه به بررسی خواص نوترون‌ها همچون جرم، بار الکتریکی، ممان مغناطیسی، اسپین و ... خواهیم پرداخت.

فیلم آموزش فیزیک پایه ۱ – مفاهیم پایه + حل مثال در فرادرس

کلیک کنید

جرم نوترون

با توجه به بار الکتریکی خنثی در نوترون، جرم آن‌را نمی‌توان به کمک طیف‌سنجی جرمی اندازه‌گیری کرد. با این وجود، از آن‌جایی که جرم‌های پروتون و دوترون به کمک این روش قابل اندازه‌گیری هستند، با کم کردن مقادیر جرمی پروتون از دوترون، به مقداری می‌رسیم که شامل جرم نوترون به همراه «انرژی بستگی» (Binding Energy) دوتریوم است. با محاسبه میزان انرژی بستگی، جرم نوترون بدست می‌آید.

بار الکتریکی نوترون

بار الکتریکی نوترون‌ها برابر با صفر است. این مقدار صفر را به صورت آزمایشگاهی اندازه‌گیری کرده‌ و با توجه به محدودیت‌های آزمایش، به مقدار $$−2(8)×10 ^ {−22} e$$ رسیده‌اند که به مقدار صفر نزدیک است.

گشتاور مغناطیسی نوترون

با وجود این‌که نوترون، ذره‌ای خنثی به شمار می‌آید اما گشتاور دوقطبی آن، مقداری برابر با صفر ندارد. نوترون برخلاف میدان الکتریکی، در میدان مغناطیسی منحرف می‌شود. این انحراف در میدان مغناطیسی، نشان از وجود کوارک‌ها و توزیع بار داخلی دارد. مقدار ممان مغناطیسی نوترون برای اولین بار در سال 1940 اندازه‌گیری شد. این مقدار، برابر با $$μ_ n= −1.93(2)$$ ذکر شد که در آن،‌ $$μ_ n$$ موسوم به مگنتون هسته‌ای است.

ممان مغناطیسی نوترون را می‌توان با فرض تابع موج مکانیک کوانتومی «غیر نسبیتی» (non-Relativistic) برای «باریون‌ها» (Baryons) متشکل از سه کوارک، محاسبه کرد. محاسبات مستقیم،‌ اعداد تقریبا دقیقی را برای گشتاور مغناطیسی نوترون‌ها، پروتون‌ها و سایر باریون‌ها بدست می‌دهند. جدول زیر، نشان‌دهنده نمونه‌ای از مقادیر محاسبه شده در مقایسه با مقادیر مشاهده شده است.

اسپین نوترون

نوترون، ذره‌ای با اسپین $$1/2$$ یعنی یک «فرمیون» (Fermion) با گشتاور دوقطبی ذاتی $$1/2 ħ$$ است که در آن، $$ħ$$، ثابت پلانک کاهش یافته ذکر می‌شود. تا سال‌ها بعد از کشف نوترون، مقدار اسپین آن، عددی ناشناخته و مبهم بود. در نهایت، به کمک برهم‌کنش‌های گشتاورهای مغناطیسی نوترون با میدان مغناطیسی خارجی، میزان اسپین آن از طریق آزمایش‌هایی در طول سال‌های 1949 و 1954، مقدار $$1/2$$ ذکر شد. نوترون به عنوان یک فرمیون، از اصل طرد پائولی پیروی می‌کند. بر اساس این اصل، دو نوترون نمی‌توانند عدد کوانتومی یکسانی داشته باشند و این اصل، منبع «فشار انحطاط»‌ (Degeneracy Pressure) است که ستاره‌های نوترونی را تشکیل می‌دهد.

ساختار و شکل توزیع بار در نوترون

در سال ۲۰۰۷ بیان شد که نوترون، دارای بخش خارجی با بار منفی، بخش میانی با بار مثبت و هسته با بار منفی است. در حقیقت، به بیانی ساده و کلاسیک، پوسته منفی نوترون، به جذب آن توسط پروتون و برهم‌کنش داخل هسته کمک می‌کند. البته برهم‌کنش اصلی بین نوترون‌ها و پروتون‌ها به کمک نیروهای هسته‌ای انجام می‌گیرد که فاقد بار الکتریکی هستند.

این مدل کلاسیک ساده همچنین جهت دوقطبی مغناطیسی نوترون را نیز توضیح می‌دهد به گونه‌ای که این جهت،‌ در مقایسه با پروتون، بر خلاف جهت بردار گشتاور زاویه‌ای است. در اثر این اتفاق، نوترون، گشتاور دوقطبی خواهد داشت که بیانگر ذره‌ای با بار منفی است. این مفهوم، با ساختار کلاسیک توزیع بار در نوترون مطابقت دارد و بر این اساس، بار منفی در نوترون، با شعاع بیش‌تری توزیع شده است و به همین دلیل، گشتاور دوقطبی مغناطیسی بیش‌تری خواهیم داشت و بار مثبت نیز به طور متوسط در نزدیکی هسته قرار دارد.

کاربرد نوترون

بعد از کشف نوترون در سال 1932، این ذره در زمینه‌های بسیاری از دانش روز مورد استفاده قرار گرفت. در حقیقت، کشف این ذره سبب شد تا دانشمندان، ابزاری برای سنجش خواص هسته اتم داشته باشند. به طور ویژه، کشف این ذره سبب توسعه راکتورها و بمب‌های هسته‌ای شد. شاخه‌های اصلی که به کاربرد نوترون مربوط می‌شوند را در زیر آورده‌ایم:

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

راکتورهای هسته‌ای

راکتورهای هسته‌ای، بخش اصلی تاسیسات هسته‌ای را تشکیل می‌دهند. هدف اصلی راکتورهای هسته‌ای،‌ آغاز و کنترل واکنش‌های زنجیره‌ای هسته‌ای به صورت مستمر (پایدار) است و این عمل، تنها به کمک نوترون‌های آزاد امکان‌پذیر خواهد بود. عبارت زنجیره‌ای به این معناست که یک واکنش هسته‌ای، سبب بروز یک یا چند واکنش هسته‌ای دیگر می‌شود.

این یک یا چند واکنش، پارامتر اصلی در فیزیک راکتور به شمار می‌آید. برای افزایش یا کاهش مقدار واکنش‌ها، مقدار نوترون‌های آزاد باید تغییر کنند.