นิวตรอน
นิวตรอน (อังกฤษ: neutron) เป็น อนุภาคย่อยของอะตอม ตัวหนึ่ง มีสัญลักษณ์ n หรือ n0 ที่ไม่มี ประจุไฟฟ้า และมีมวลใหญ่กว่ามวลของ โปรตอน เล็กน้อย โปรตอนและนิวตรอนแต่ละตัวมีมวลประมาณหนึ่งหน่วย มวลอะตอม โปรตอนและนิวตรอนประกอบกันขึ้นเป็น นิวเคลียส ของหนึ่งอะตอม และทั้งสองตัวนี้รวมกันเรียกว่า นิวคลีออน[4] คุณสมบัติของพวกมันถูกอธิบายอยู่ใน ฟิสิกส์นิวเคลียร์
 | |
| Classification | แบริออน |
|---|---|
| ส่วนประกอบ | 1 อัพควาร์ก, 2 ดาวน์ควาร์ก |
| สถิติ (อนุภาค) | Fermionic |
| อันตรกิริยาพื้นฐาน | แรงโน้มถ่วง, อย่างอ่อน, อย่างเข้ม, แรงแม่เหล็กไฟฟ้า |
| สัญลักษณ์ | n n0 N0 |
| ปฏิยานุภาค | ปฏินิวตรอน |
| ทฤษฎีโดย | เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด[1] (1920) |
| ค้นพบโดย | James Chadwick[2] (1932) |
| มวล | 1.674927471(21)×10−27 kg[3] 939.5654133(58) MeV/c2[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 fm3 |
| 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 fm3 |
| สปิน | 12 |
| Isospin | 12 |
| Parity | +1 |
| Condensed | I(JP) = 12(12+) |
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] เหตุการณ์และการค้นพบเหล่านี้นำไปสู่การสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่สามารถคงอยู่ได้เองอย่างต่อเนื่องเป็นครั้งแรก (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
จากแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค นิวตรอนประกอบไปด้วยอัพควาร์ก 1 ตัว ซึ่งมีประจุไฟฟ้า +23 e และดาวน์ควาร์ก 2 ตัว แต่ละตัวมีประจุไฟฟ้า -13 e รวมกันเป็น -23 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
- n0 → p+ + e- + Ve
ทั้งนี้ นิวตรอนในนิวเคลียสที่ไม่เสถียรก็สามารถสลายตัวในลักษณะนี้ได้ อย่างไรก็ตาม โปรตอนก็สามารถสลายตัวกลับเป็นนิวตรอนได้เช่นกันผ่านกระบวนการกักอิเล็กตรอน หรือกระบวนการย้อนกลับของการสลายให้อนุภาคบีตา และให้โพซิตรอนกับอิเล็กตรอนนิวตริโนชนิดละ 1 ตัวเช่นกัน ดังนี้
- p+ → n0 + e+ + Ve
แต่ถ้าโปรตอนรวมตัวกับอิเล็กตรอน จะปลดปล่อยนิวตรอนและอิเล็กตรอนนิวตริโนชนิดละ 1 ตัว ดังนี้
- p+ + e- → n0 + Ve
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
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