นิวตรอน

นิวตรอน

โครงสร้างควาร์กของนิวตรอน การกำหนดสีให้กับแต่ละควาร์กเป็นไปตามใจชอบ แต่ต้องแสดงทั้งสามสี แรงระหว่างควาร์กด้วยกันถูกไกล่เกลี่ยโดยกลูออน
Classification	แบริออน
ส่วนประกอบ	1 อัพควาร์ก, 2 ดาวน์ควาร์ก
สถิติ (อนุภาค)	Fermionic
อันตรกิริยาพื้นฐาน	แรงโน้มถ่วง, อย่างอ่อน, อย่างเข้ม, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า
สัญลักษณ์	n n^0 N^0
ปฏิยานุภาค	ปฏินิวตรอน
ทฤษฎีโดย	เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด[1] (1920)
ค้นพบโดย	James Chadwick[2] (1932)
มวล	1.674927471(21)×10^−27 kg[3] 939.5654133(58) MeV/c^2[3] 1.00866491588(49) u[3]
อายุเฉลี่ย	881.5(15) s (free)
ประจุไฟฟ้า	0 e 0 C
Electric dipole moment	2.9×10^−26 e⋅cm (upper limit)
Electric polarizability	1.16(15)×10^−3 fm^3
Magnetic moment	−0.96623650(23)×10^−26 J·T^−1[3] −1.04187563(25)×10^−3 μB[3] −1.91304273(45) μN[3]
Magnetic polarizability	3.7(20)×10^−4 fm^3
สปิน	1/2
Isospin	1/2
Parity	+1
Condensed	I(J^P) = 1/2(1/2^+)

นิวตรอน (อังกฤษ: neutron) เป็น อนุภาคย่อยของอะตอม ตัวหนึ่ง มีสัญลักษณ์ n หรือ n^0 ที่ไม่มี ประจุไฟฟ้า และมีมวลใหญ่กว่ามวลของ โปรตอน เล็กน้อย โปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัวมีมวลประมาณหนึ่งหน่วย มวลอะตอม โปรตอนและนิวตรอนประกอบกันขึ้นเป็น นิวเคลียส ของหนึ่งอะตอม และทั้งสองตัวนี้รวมกันเรียกว่า นิวคลีออน[4] คุณสมบัติของพวกมันถูกอธิบายอยู่ใน ฟิสิกส์นิวเคลียร์

นิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอนจำนวน Z ตัว โดยที่ Z จะเรียกว่า เลขอะตอม และนิวตรอนจำนวน N ตัว โดยที่ N คือ เลขนิวตรอน เลขอะตอมใช้กำหนดคุณสมบัติทางเคมีของอะตอม และเลขนิวตรอนใช้กำหนด ไอโซโทป หรือ นิวไคลด์[5] คำว่าไอโซโทปและนิวไคลด์มักจะถูกใช้เป็นคำพ้อง แต่พวกมันหมายถึงคุณสมบัติทางเคมีและทางนิวเคลียร์ตามลำดับ เลขมวล ของอะตอมใช้สัญลักษณ์ A จะเท่ากับ Z+N ยกตัวอย่างเช่น คาร์บอนมีเลขอะตอมเท่ากับ 6 และคาร์บอน-12 ที่เป็นไอโซโทปที่พบอย่างมากมายของมันมี 6 นิวตรอนขณะคาร์บอน-13 ที่เป็นไอโซโทปที่หายากของมันมี 7 นิวตรอน องค์ประกอบบางอย่างจะเกิดขึ้นเองในธรรมชาติโดยมีไอโซโทปที่เสถียรเพียงหนึ่งตัว เช่นฟลูออรีน (ดู นิวไคลด์ที่เสถียร) องค์ประกอบอื่น ๆ จะเกิดขึ้นโดยมีไอโซโทปที่เสถียรเป็นจำนวนมาก เช่นดีบุกที่มีสิบไอโซโทปที่เสถียร แม้ว่านิวตรอนจะไม่ได้เป็นองค์ประกอบทางเคมี มันจะรวมอยู่ใน ตารางของนิวไคลด์[6]

ภายในนิวเคลียส โปรตอนและนิวตรอนจะยึดเหนี่ยวอยู่ด้วยกันด้วย แรงนิวเคลียร์ และนิวตรอนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับความมั่นคงของนิวเคลียส นิวตรอนถูกผลิตขึ้นแบบทำสำเนาในปฏิกิริยา นิวเคลียร์ฟิวชั่น และ นิวเคลียร์ฟิชชัน พวกมันเป็นผู้สนับสนุนหลักใน การสังเคราะห์นิวเคลียส ขององค์ประกอบทางเคมีภายในดวงดาวผ่านกระบวนการฟิวชัน, ฟิชชั่นและ การจับยึดนิวตรอน

นิวตรอนมีบทบาทสำคัญในการผลิตพลังงานนิวเคลียร์ หลังจากที่เจมส์ แชดวิก ค้นพบนิวตรอนเมื่อปี 1932[7] ในทศวรรษต่อมานิวตรอนถูกนำมาใช้เป็นตัวกระตุ้นให้เกิดกระบวนการแปรนิวเคลียสหลากหลายรูปแบบ (อังกฤษ: nuclear transmutation) หลังจากค้นพบวิธีนิวเคลียร์ฟิชชันเมื่อปี 1938[8] ทำให้ทุกคนเข้าใจทันทีว่า เมื่อกระบวนการฟิชชันทำให้เกิดนิวตรอนขึ้นมาแล้ว นิวตรอนแต่ละตัวเหล่านี้จะทำให้เกิดฟิชชันต่อไปได้อีกเป็นกระบวนการต่อเนื่องที่เรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์[9] เหตุการณ์และการค้นพบเหล่านี้นำไปสู่​​การสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่สามารถคงอยู่ได้เองอย่างต่อเนื่องเป็นครั้งแรก (Chicago Pile-1, 1942) รวมถึงอาวุธนิวเคลียร์ชิ้นแรก (ทรินิตี้ 1945)

นิวตรอนอิสระหรือนิวตรอนอิสระใด ๆ ของนิวเคลียสเป็นรูปแบบหนึ่งของ การแผ่รังสีจากการแตกตัวเป็นไอออน ดังนั้นมันจึงเป็นอันตรายต่อชีวภาพโดยขึ้นอยู่กับปริมาณที่รับ[10] สนาม "พื้นหลังนิวตรอน" ขนาดเล็กในธรรมชาติของนิวตรอนอิสระจะมีอยู่บนโลก ซึ่งเกิดจากมิวออนรังสีคอสมิก และจากกัมมันตภาพรังสีตามธรรมชาติขององค์ประกอบที่ทำฟิชชันได้ตามธรรมชาติในเปลือกโลก[11] แหล่งที่ผลิตนิวตรอนโดยเฉพาะเช่นเครื่องกำเนิดนิวตรอน, เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เพื่อการวิจัยและแหล่งผลิตนิวตรอนแบบสปอลเลชัน (อังกฤษ: Spallation Source) ที่ผลิตนิวตรอนอิสระสำหรับการใช้งานในการฉายรังสีและในการทดลองการกระเจิงนิวตรอน

คำว่า "นิวตรอน" มาจากภาษากรีก neutral ที่แปลว่า เป็นกลาง

เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด เป็นผู้ตั้งทฤษฎีการมีอยู่ของนิวตรอนเมื่อปี ค.ศ. 1920 โดยเขาพบว่าอะตอมของธาตุทุกชนิด เลขมวลจะมีค่าใกล้เคียงกับ 2 เท่าของเลขอะตอมเสมอ จึงสันนิษฐานได้ว่ามีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่ยังไม่ถูกค้นพบ

การค้นพบ

ในปี ค.ศ. 1931 รัทเธอร์ฟอร์ดพบว่า ถ้าอนุภาคแอลฟาพลังงานสูงมากถูกปล่อยจากพอโลเนียม แล้วกระทบกับวัตถุบาง ๆ เช่น เบริลเลียม โบรอน หรือลิเทียม จะเกิดรังสีชนิดหนึ่งที่มีอำนาจทะลุทะลวงผิดปกติขึ้น เป็นรังสีที่มีอานุภาพมากกว่ารังสีแกมมา แต่ผลการทดลองไม่สามารถอธิบายได้โดยง่าย ในปีต่อมา เฟรเดอริกและอีเรน โจเลียต-คูรี พบว่า ถ้ารังสีชนิดดังกล่าวตกลงบนพาราฟินหรือสารเนื้อผสมใด ๆ ที่มีไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบ สารนั้นจะปลดปล่อยโปรตอนหลายตัวด้วยพลังงานสูง ซึ่งขัดแย้งกับสมบัติของรังสีแกมมาตามธรรมชาติ แต่ผลการวิเคราะห์ข้อมูลยังไม่เป็นที่ยอมรับ

นิวตรอนถูกค้นพบโดย เซอร์ เจมส์ แชดวิก (Sir James Chadwick) ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ในปี ค.ศ. 1932 โดยแชดวิกได้ทำการทดลองโดยการยิงอนุภาคแอลฟาจากพอโลเนียมใส่แผ่นโบรอนบาง ๆ และรองรับอนุภาคด้วยเครื่องตรวจจับที่บรรจุแก๊สไนโตรเจนไว้ภายใน พบว่ามีอนุภาคหนึ่งหลุดมาและเป็นกลางทางไฟฟ้า จึงตั้งชื่อให้ว่า "นิวตรอน" [12] โดยการทดลองของทอมสันและโกลด์สตีนที่ใช้หลอดรังสีแคโทดไม่สามารถตรวจพบนิวตรอนได้ เพราะนิวตรอนไม่มีปฏิกิริยากับขั้วแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ในการทดลอง

คุณสมบัติ

ความเสถียรและการสลายให้อนุภาคบีตา

ไดอะแกรมของเฟย์นแมน (Feynman's Diagram) แสดงให้เห็นการสลายตัวของนิวตรอน เป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนปฏินิวตริโน ชนิดละ 1 ตัว

จากแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค นิวตรอนประกอบไปด้วยอัพควาร์ก 1 ตัว ซึ่งมีประจุไฟฟ้า +2/3 e และดาวน์ควาร์ก 2 ตัว แต่ละตัวมีประจุไฟฟ้า -1/3 e รวมกันเป็น -2/3 e ซึ่งหักล้างกับประจุไฟฟ้าของอัพควาร์กพอดี นิวตรอนจึงมีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์ เมื่ออยู่นอกนิวเคลียส นิวตรอนอิสระจะมีชีวิตอยู่ได้เพียง 885.7±0.8 วินาที (14 นาทีกับ 46 วินาที) เท่านั้น ส่วนครึ่งชีวิตของมันอยู่ที่ 613.9±0.8 วินาที (10 นาที 14 วินาที)

การปลดปล่อยพลังงานของอนุภาค W โบซอน สามารถทำให้ดาวน์ควาร์กเปลี่ยนเป็นอัพควาร์กได้ และนั่นจะทำให้นิวตรอนสลายตัวให้โปรตอน อิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนปฏินิวตริโน ชนิดละ 1 ตัว ปฏิกิริยานี้เรียกว่า "การสลายให้อนุภาคบีตา" [13] ดังสูตรตามนี้

n^0 → p^+ + e^- + V_e

ทั้งนี้ นิวตรอนในนิวเคลียสที่ไม่เสถียรก็สามารถสลายตัวในลักษณะนี้ได้ อย่างไรก็ตาม โปรตอนก็สามารถสลายตัวกลับเป็นนิวตรอนได้เช่นกันผ่านกระบวนการกักอิเล็กตรอน หรือกระบวนการย้อนกลับของการสลายให้อนุภาคบีตา และให้โพซิตรอนกับอิเล็กตรอนนิวตริโนชนิดละ 1 ตัวเช่นกัน ดังนี้

p^+ → n^0 + e^+ + V_e

แต่ถ้าโปรตอนรวมตัวกับอิเล็กตรอน จะปลดปล่อยนิวตรอนและอิเล็กตรอนนิวตริโนชนิดละ 1 ตัว ดังนี้

p^+ + e^- → n^0 + V_e

การกักโพซิตรอนด้วยนิวตรอนภายในนิวเคลียสที่มีนิวตรอนมากเกินไปสามารถเกิดขึ้นได้ แต่จะถูกกีดกันจากนิวเคลียส และจะถูกทำลายล้างลงเมื่อปะทะกับอิเล็กตรอน

เมื่อมีพันธะกับนิวเคลียส ความไม่เสถียรของนิวตรอนเดี่ยวจะถูกนิวเคลียสทำให้เสถียร ถ้าโปรตอนที่เพิ่มมากขึ้นทำให้เกิดปฏิกิริยากับโปรตอนตัวอื่น ๆ ในนิวเคลียสเอง แม้ว่านิวตรอนจะไม่เสถียร นิวตรอนก็ไม่จำเป็นต้องมีพันธะ สาเหตุนี้สามารถอธิบายได้ว่าทำไมโปรตอนเสถียรที่อยู่ในอวกาศจึงเปลี่ยนสภาพเป็นนิวตรอนเมื่อเกิดพันธะภายในนิวเคลียส

โครงสร้าง

จากบทความที่เขียนขึ้นในปี ค.ศ. 2007 ที่แสดงผลการวิเคราะห์แบบจำลองอิสระได้สรุปว่า นิวตรอนมีโครงสร้าง 3 ชั้น ชั้นนอกและแก่นมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ส่วนชั้นที่อยู่ระหว่างกลางเป็นประจุบวก [14] ลักษณะนี้สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดนิวตรอนจึงเกาะกลุ่มอยู่กับโปรตอน เนื่องจากชั้นนอกของนิวตรอนจะดึงดูดโปรตอนซึ่งเป็นบวกทางไฟฟ้านั่นเอง

สารประกอบนิวตรอน

ไดนิวตรอนและเททรานิวตรอน

ไดนิวตรอนเป็นอนุภาคสมมุติที่ประกอบไปด้วยนิวตรอน 2 ตัว และมีชีวิตอยู่ได้เพียงระยะเวลาสั้น ๆ ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ เกิดจากฮีลิออน (นิวเคลียสเปลือยของฮีเลียม) ส่วนเททรานิวตรอนประกอบด้วยนิวตรอน 4 ตัว สมมุติขึ้นโดยทีมนักฟิสิกส์จากศูนย๋ปฏิบัติการ CNRS เพื่อศึกษาฟิสิกส์นิวเคลียร์ จากการสังเกตการสลายตัวของนิวเคลียสเบริลเลียม-14 แต่ได้รับความสนใจเพียงน้อยนิดเนื่องจากทฤษฎีปัจจุบันเห็นเพียงกลุ่มอนุภาคที่ไม่เสถียรเท่านั้น

นิวโตรเนียมและดาวนิวตรอน

เมื่ออยู่ในภาวะที่ความดันและอุณหภูมิสูง อนุภาคนิวคลีออน (โปรตอน+นิวตรอน) และกลูออน จะหลอมรวมเป็นอะตอมของธาตุนิวโตรเนียม ธาตุที่เบากว่าไฮโดรเจนซึ่งยังไม่ถูกค้นพบ แต่เชื่อว่าอยู่ภายในดาวนิวตรอน ที่มีส่วนประกอบหลักเป็นนิวตรอน และอยู่ในภาวะที่ความดันสูงและร้อนจัดเหมาะที่จะเกิดการหลอมตัวดังกล่าวได้

ปฏินิวตรอน

ปฏินิวตรอนถูกค้นพบโดย บรู๊ซ คอร์ก ในปี ค.ศ. 1956 หนึ่งปีหลังจากการค้นพบปฏิโปรตอน โดยมีมวลต่างกันเพียง 9±5×10^-5 กรัมเท่านั้น ปฏินิวตรอนมีโครงสร้างคล้ายกับนิวตรอน เพียงแต่เปลี่ยนจากควาร์กเป็นปฏิควาร์กเท่านั้น [13]

การประยุกต์ใช้งาน

นิวตรอนมีบทบาทสำคัญในปฏิกิริยานิวเคลียร์หลายอย่าง ยกตัวอย่างเช่นการจับยึดนิวตรอนมักจะมีผลมาจากการกระตุ้นนิวตรอนซึ่งกระตุ้นให้เกิดกัมมันตภาพรังสี โดยเฉพาะอย่างยิ่งความรู้ของนิวตรอนและพฤติกรรมของพวกมันมีความสำคัญในการพัฒนาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์และอาวุธนิวเคลียร์ การเกิดฟิชชันขององค์ประกอบเช่นยูเรเนียม-235 และพลูโตเนียม-239 เกิดจากการดูดซึมนิวตรอนของพวกมัน

นิวตรอน"เย็น" นิวตรอน"ความร้อน" นิวตรอน"ร้อน"และการแผ่รังสีจากนิวตรอนมักจะถูกใช้ในสิ่งอำนวยความสะดวกที่ทำจากการกระเจิงนิวตรอน ในที่ซึ่งรังสีจะถูกใช้ในลักษณะที่คล้ายกันกับที่มีการใช้รังสีเอกซ์สำหรับการวิเคราะห์สารควบแน่น (อังกฤษ: condensed matter) นิวตรอนจะถูกใช้เสริมกับการวิเคราะห์ดังกล่าวในแง่ของความแตกต่างของอะตอมโดยภาคตัดขวาง (ฟิสิกส์)ที่มีการกระเจิงที่แตกต่างกัน; ความไวต่อแม่เหล็ก; ช่วงพลังงานสำหรับเครื่องวิเคราะห์สเปคตรัมแบบนิวตรอนที่ไม่ยืดหยุ่น (อังกฤษ: inelastic neutron spectroscopy); และการเจาะลึกลงไปในสสาร

การพัฒนา "เลนส์นิวตรอน" ที่อยู่บนพื้นฐานของการสะท้อนภายในรวมในหลอดแก้วเส้นเลือดฝอยกลวงหรือจากการสะท้อนจากแผ่นอะลูมิเนียมบุ๋มได้ขับเคลื่อนการวิจัยอย่างต่อเนื่องสู่กล้องจุลทรรศน์นิวตรอนและการถ่ายภาพด้วยรังสีนิวตรอน/รังสีแกมมา[15][16][17]

งานหลักอย่างหนึ่งของนิวตรอนก็คือการกระตุ้นรังสีแกมมาที่รวดเร็วแต่ล่าช้าจากองค์ประกอบในวัสดุ งานนี้สร้างพื้นฐานของการวิเคราะห์การกระตุ้นนิวตรอน (อังกฤษ: neutron activation analysis (NAA)) และการวิเคราะห์การกระตุ้นนิวตรอนด้วยรังสีแกมมาที่รวดเร็ว (อังกฤษ: prompt gamma neutron activation analysis (PGNAA)) NAA มักจะถูกใช้ส่วนใหญ่ในการวิเคราะห์ตัวอย่างเล็ก ๆ ของวัสดุในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ในขณะที่ PGNAA ส่วนใหญ่มักจะถูกใช้ในการวิเคราะห์หินพื้นราบรอบหลุมเจาะและวัสดุที่เป็นกลุ่มอุตสาหกรรมในสายพานลำเลียง

การใช้รังสีนิวตรอนอีกประการหนึ่งคือการตรวจสอบของนิวเคลียสเบา โดยเฉพาะอย่างยิ่งไฮโดรเจนที่พบในโมเลกุลของน้ำ เมื่อนิวตรอนเร็วชนกับนิวเคลียสเบา มันจะสูญเสียส่วนใหญ่ของพลังงานของมัน โดยการวัดอัตราที่นิวตรอนช้าจะวิ่งกลับมาที่หัววัดหลังจากที่สะท้อนออกจากนิวเคลียสของไฮโดรเจน หัววัดนิวตรอนอาจสามารถกำหนดเนื้อหาของน้ำในดิน

การรักษาทางการแพทย์

อ้างอิง

1. Ernest Rutherford. Chemed.chem.purdue.edu. Retrieved on 2012-08-16.
2. 1935 Nobel Prize in Physics. Nobelprize.org. Retrieved on 2012-08-16.
3. Mohr, P.J.; Taylor, B.N. and Newell, D.B. (2014), "The 2014 CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants" (Web Version 7.0). The database was developed by J. Baker, M. Douma, and S. Kotochigova. (2014). National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland 20899.
4. Thomas, A.W.; Weise, W. (2001), The Structure of the Nucleon, Wiley-WCH, Berlin, ISBN 3-527-40297-7
5. Glasstone, Samuel; Dolan, Philip J., eds. (1977), The Effects of Nuclear Weapons, Third Edition, U.S. Dept. of Defense and Energy Research and Development Administration, U.S. Government Printing Office, ISBN 1-60322-016-X
6. Nudat 2. Nndc.bnl.gov. Retrieved on 2010-12-04.
7. Chadwick, James (1932). "Possible Existence of a Neutron". Nature 129 (3252): 312. Bibcode:1932Natur.129Q.312C. doi:10.1038/129312a0.
8. Hahn, O. and Strassmann, F. (1939). "Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle ("On the detection and characteristics of the alkaline earth metals formed by irradiation of uranium with neutrons")". Naturwissenschaften 27 (1): 11–15. Bibcode:1939NW.....27...11H. doi:10.1007/BF01488241.. The authors were identified as being at the Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie, Berlin-Dahlem. Received 22 December 1938.
9. Glasstone, Samuel; Dolan, Philip J., eds. (1977), The Effects of Nuclear Weapons, Third Edition, U.S. Dept. of Defense and Energy Research and Development Administration, U.S. Government Printing Office, ISBN 1-60322-016-X
10. Glasstone, Samuel; Dolan, Philip J., eds. (1977), The Effects of Nuclear Weapons, Third Edition, U.S. Dept. of Defense and Energy Research and Development Administration, U.S. Government Printing Office, ISBN 1-60322-016-X
11. Carson, M. J.; et al. (2004). "Neutron background in large-scale xenon detectors for dark matter searches". Astroparticle Physics 21 (6): 667–687. doi:10.1016/j.astropartphys.2004.05.001.
12. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/particles/neutrondis.html
13. Particle Data Group Summary Data Table on Baryons
14. G.A. Miller (2007). "Charge Densities of the Neutron and Proton". Physical Review Letters. 99: 112001. doi:10.1103/PhysRevLett.99.112001.
15. Kumakhov, M. A.; Sharov, V. A. (1992). "A neutron lens". Nature. 357 (6377): 390–391. Bibcode:1992Natur.357..390K. doi:10.1038/357390a0.
16. Physorg.com, "New Way of 'Seeing': A 'Neutron Microscope'". Physorg.com (2004-07-30). Retrieved on 2012-08-16.
17. "NASA Develops a Nugget to Search for Life in Space" เก็บถาวร 2014-03-08 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน. NASA.gov (2007-11-30). Retrieved on 2012-08-16.

หนังสืออ่านเพิ่มเติม

• Knoll, G. F. (2000) Radiation Detection and Measurement
• Krane, K. S. (1998) Introductory Nuclear Physics
• Squires, G. L. (1997) Introduction to the Theory of Thermal Neutron Scattering
• Dewey, M. S., Gilliam, D. M., Nico, J. S., Snow, M. S., Wietfeldt, F. E. NIST Neutron Lifetime Experiment