Νετρόνιο

Νετρόνιο

Ανήκει στην κατηγορία των Στοιχειωδών Σωματιδίων. Είναι ένα νουκλεόνιο.

Γενικά
Είναι ένα ουδέτερο υποατομικό σωματίδιο δηλ. χωρίς Ηλεκτρικό Φορτίο. Έχει μάζα 939.565 MeV/c (1,6749x10-27 kg, λίγο μεγαλύτερη από αυτή του πρωτονίου). Έχει σπιν ίσο με ½ και για το λόγο αυτό κατατάσσεται στα φερμιόνια. Το αντισωματίδιό του ονομάζεται αντινετρόνιο. Το νετρόνιο και το πρωτόνιο είναι δύο διαφορετικές καταστάσεις ενός νουκλεονίου.

Ο πυρήνας των περισσότερων ατόμων (όλων εκτός του πρώτιου, του πιο κοινού ισοτόπου του υδρογόνου, το οποίο αποτελείται από ένα μόνο πρωτόνιο) αποτελείται από πρωτόνια και νετρόνια.

Ιδιότητες
Τα, εκτός του ατομικού πυρήνα, υπάρχοντα νετρόνια είναι ασταθή και έχουν μέσο χρόνο ζωής 885.8 ± 3.4 s (δευτερόλεπτα) (περίπου 15 λεπτά), διασπώμενα προς ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου.

Τα νετρόνια σε αυτή την ασταθή κατάσταση ονομάζονται "ελεύθερα νετρόνια". Η ίδια διαδικασία διάσπασης (Βήτα Διάσπαση ή εκπομπή ακτινοβολίας βήτα) χαρακτηρίζει και μερικούς πυρήνες.

Το νετρόνιο κατηγοριοποιείται ως βαρυόνιο καθώς αποτελείται από 3 κουάρκ, δύο κάτω (down) quarks και ένα πάνω (up) quark (udd). Το σωματίδιο αντιύλης του νετρονίου είναι το αντινετρόνιο.

Ο ρόλος του στα Ισότοπα
Ο αριθμός των νετρονίων καθορίζει το ισότοπο ενός στοιχείου. (Για παράδειγμα, το ισότοπο του άνθρακα-12, έχει 6 πρωτόνια και 6 νετρόνια, ενώ το ισότοπο του άνθρακα-14 έχει 6 πρωτόνια και 8 νετρόνια). Τα ισότοπα είναι άτομα του ίδιου στοιχείου τα οποία έχουν δηλαδή τον ίδιο ατομικό αριθμό, αλλά διαφέρουν μεταξύ τους ως προς τον μαζικό αριθμό λόγω του διαφορετικού αριθμού νετρονίων.

Αλληλεπιδράσεις
Το νετρόνιο μπορεί να συμμετάσχει σε όλες τις τέσσερεις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις:
 * την Ηλεκτρομαγνητική Αλληλεπίδραση,
 * την Ασθενή Πυρηνική Αλληλεπίδραση,
 * την Ισχυρή Πυρηνική Αλληλεπίδραση και
 * την Βαρυτική Αλληλεπίδραση.

Παρ' όλο που το νετρόνιο έχει μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο, μπορεί να αλληλεπιδράσει ηλεκτρομαγνητικά για δύο λόγους:
 * πρώτον, επειδή έχει Μαγνητική Ροπή της ίδιας τάξης με το πρωτόνιο
 * δεύτερον, επειδή συνίσταται από ηλεκτρικά φορτισμένα quarks.

Το νετρόνιο συμμετέχει σε ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις μέσω της βήτα διάσπασης όπου μετατρέπεται σε πρωτόνιο και ταυτόχρονα παράγεται ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου. Συμμετέχει στη βαρυτική αλληλεπίδραση όπως και κάθε σώμα με μάζα; ωστόσο, η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής όπου θεωρείται αμηλητέα στα περισσότερα πειράματα σωματιδιακής φυσικής.

Η σημαντικότερη αλληλεπίδραση για τα νετρόνια είναι η ισχυρή πυρηνική. Με αυτήν την αλληλεπίδραση συγκρατούνται τα τρία κουάρκ στο νετρόνιο, αλλά και τα νετρόνια και τα πρωτόνια στον πυρήνα.

Ανίχνευση
Ο κοινός τρόπος ανίχνευσης ενός ηλεκτρικά φορτισμένου στοιχειώδους σωματιδίου, με την παρατήρηση του ίχνους ιονισμού δεν μπορεί να εφαρμοστεί, άμεσα, στα νετρόνια. Τα νετρόνια, τα οποία σκεδάζονται ελαστικά στα άτομα μπορούν να δημιουργήσουν ίχνος ιονισμού το οποίο είναι ανιχνεύσιμο, όμως τα πειράματα δεν είναι απλά στην διεξαγωγή τους. Άλλοι τρόποι, πιο συνήθεις, για την ανίχνευση των νετρονίων στηρίζονται στο να τους επιτραπεί να αλληλεπιδράσουν με άλλους ατομικούς πυρήνες.

Μία συνήθης μέθοδος για την ανίχνευση των νετρονίων στηρίζεται στην μετατροπή της ενέργειας η οποία απελευθερώνεται από τέτοιου είδους αλληλεπιδράσεις σε ηλεκτρικά σήματα. Πυρήνες 3He, 6Li, 10B, 233U, 235U, 237Np και 239Pu είναι χρήσιμοι για αυτό το σκοπό.

Χρήσεις
Το νετρόνιο παίζει σημαντικό ρόλο σε πολλές πυρηνικές αντιδράσεις. Για παράδειγμα, η σύλληψη νετρονίου συχνά έχει ως αποτέλεσμα την ενεργοποίηση του νετρονίου, συμπεριλαμβανομένης και της ραδιενέργειας. Ειδικότερα, η γνώση των νετρονίων και της συμπεριφοράς τους υπήρξε σημαντική στην ανάπτυξη των πυρηνικών αντιδράσεων και των πυρηνικών όπλων.

Μία χρήση εκπομπών νετρονίων είναι η ανίχνευση ελαφρών πυρήνων, ειδικότερα του υδρογόνου το οποίο βρίσκεται στα μόρια νερού. Όταν ένα ταχύ νετρόνιο συγκρουστεί με έναν ελαφρό πυρήνα, χάνει ένα μεγάλο κλάσμα της ενέργειάς του. Μετρώντας το ρυθμό (με τη βοήθεια κατάλληλου ανιχνευτή) με τον οποίο τα νετρόνια (χαμηλής πλέον ταχύτητας) επιστρέφουν στον εκπομπό ύστερα από την ανάκλαση τους επάνω στους πυρήνες υδρογόνου, μπορεί να γίνει η ανίχνευση νερού στο έδαφος.

Πηγές
Λόγω του γεγονότος ότι τα ελεύθερα νετρόνια είναι ασταθή, μπορούν να παραχθούν μόνο ύστερα από διασπάσεις πυρήνων, πυρηνικές αντιδράσεις, και αντιδράσεις υψηλής ενέργειας (όπως στην περίπτωση της σύγκρουσης πυρήνων σε επιταχυντή).

Η έλλειψη ολικού ηλεκτρικού φορτίου αποτρέπει μηχανικούς και πειραματικούς από το να τα επιταχύνουν. Φορτισμένα σωματίδια μπορούν να επιταχυνθούν, επιβραδυνθούν ή να ανακλαστούν από ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία. Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι δεν έχουν σχεδόν καμία επίδραση στα νετρόνια (υπάρχει μία μικρή επίδραση όμως ενός μαγνητικού πεδίου πάνω σε ελεύθερα νετρόνια λόγω της μαγνητικής τους ροπής).

Ανακάλυψη
Το 1930 οι Walther Bothe και H. Becker στη Γερμανία, βρήκαν πως αν τα υψηλής ενέργειας σωματίδια άλφα εκπεμπόμενα από το πολώνιο προσέκρουαν σε συγκεκριμένα ελαφρά στοιχεία, αναφορικά τα βυρήλλιο, βόριο, λίθιο, μία ασυνήθιστα διεισδυτική ακτινοβολία παραγόταν. Αρχικά η ακτινοβολία αυτή πιστευόταν πως ήταν ακτινοβολία γάμα παρόλο που ήταν περισσότερο διεισδυτική από κάθε γνωστή ακτινοβολία γάμα και τα αποτελέσματα του πειράματος ήταν πολύ δύσκολο να ερμηνευτούν βάση αυτής της υπόθεσης. Η επόμενη μεγαλύτερη συνεισφορά αναφέρθηκε το 1932 από τους Irène Joliot-Curie και Frédéric Joliot στο Παρίσι. Έδειξαν πως όταν αυτή η άγνωστη ακτινοβολία προσέπιπτε σε παραφίνη ή κάθε άλλη ουσία η οποία περιείχε υδρογόνο παράγονταν ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας. Αυτό δεν ήταν ασύμβατο με την υποθετική φύση ακτινοβολίας γάμα αλλά η ποσοτική ανάλυση των δεδομένων ήταν δύσκολο να προσαρμοστεί σε αυτή την υπόθεση. Τελικά, αργότερα, το 1932, ο φυσικός James Chadwick στην Αγγλία πραγματοποίησε μια σειρά από πειράματα αποδεικνύονταν πως η υπόθεση της ακτινοβολίας γάμα ήταν αβάσιμη. Πρότεινε ότι η νέα αυτή ακτινοβολία αποτελούνταν από αφόρτιστα σωματίδια με μάζα παραπλήσια του πρωτονίου, και πραγματοποίησε μια νέα σειρά από πειράματα που αποδείκνυαν την υπόθεση του. Αυτά τα αφόρτιστα σωματίδια ονομάστηκαν τελικά νετρόνια.

Αντινετρόνιο
Το αντινετρόνιο είναι το αντισωματίδιο του νετρονίου. Ανακαλύφθηκε από τον Bruce Cork το 1956, ένα χρόνο μετά την ανακάλυψη του αντιπρωτονίου. Η CPT-θεωρία επιβάλλει αυστηρούς περιορισμούς στις σχετικές ιδιότητες μεταξύ των σωματιδίων και των αντισωματιδίων τους προβλέποντας διαφορά μάζας μεταξύ νετρονίου και αντινετρονίου ίση με 6&times;10-12eV/c.