중성자 - Neutron

중성자 - Neutron

중성자는 아원자 입자로, 기호 n 또는 n0이며, 순전하가 없고 양자의 질량보다 약간 큰 질량을 가지고 있다. 양성자와 중성자는 원자의 핵을 구성한다. 양성자와 중성자는 핵 내에서 유사하게 작용하며, 각각은 대략 1개의 원자 질량 단위의 질량을 가지고 있으므로 둘 다 핵이라고 한다. 그들의 특성과 상호작용을 핵물리학으로 기술한다. 핵의 화학적, 핵적 성질은 원자 번호로 불리는 양성자의 수와 중성자 번호로 결정된다. 원자 질량 번호는 핵의 총 수입니다. 예를 들어, 탄소는 원자 번호 6을 가지고 있고, 풍부한 탄소-12 동위원소는 6개의 중성자를 가지고 있는 반면, 희귀 탄소-13 동위원소는 7개의 중성자를 가지고 있다. 어떤 원소들은 불소와 같은 하나의 안정된 동위원소만 가지고 자연에서 발생한다. 다른 원소들은 많은 안정된 동위원소들과 함께 발생하는데, 예를 들어 10개의 안정적인 동위원소를 가진 주석과 같다. 핵 안에는 양자와 중성자가 핵력을 통해 결합되어 있다. 중성자는 단프로톤 수소 원자를 제외하고 핵의 안정성을 위해 필요하다. 중성자는 핵분열과 핵융합에서 풍부하게 생성된다. 이들은 핵분열, 핵융합, 중성자 포집 과정을 통해 항성 내 화학 원소의 핵합성에 일차적으로 기여한다. 중성자는 원자력의 생산에 필수적이다. 1932년 제임스 채드윅에 의해 중성자가 발견된 후 10년 동안 중성자가 많은 다른 종류의 핵전환을 유도하기 위해 사용되었다. 1938년 핵분열이 발견되면서, 핵분열 사건이 중성자를 생성하면, 이들 중성자 각각이 핵 연쇄 반응으로 알려진 계단식으로 더 많은 핵분열 사건을 일으킬 수 있다는 것이 빠르게 실현되었다. 이러한 사건 및 발견은 최초의 자생 원자로(시카고 말뚝-1, 1942)와 최초의 핵무기(트리니티, 1945)로 이어졌다. 자유 중성자는 직접 이온화 원자는 아니지만 이온화 방사선을 일으킨다. 따라서 선량에 따라 생물학적 위험이 될 수 있다. 자유 중성자의 작은 자연적 "중립자 배경" 유속이 지구상에 존재하는데, 우주선 소나기와 지구 지각의 자연 핵분열성 원소의 자연 방사능에 의해 발생한다. 중성자 발생기, 연구용 원자로 및 스팔링 소스와 같은 전용 중성자 선원은 조사 및 중성자 산란 실험에 사용할 자유 중성자를 생산한다.

원자핵은 다수의 양성자 Z(원자수)와 다수의 중성자 N(중성자수)에 의해 형성되며, 핵력에 의해 결합된다. 원자 번호는 원자의 화학적 특성을 정의하고 중성자 번호는 동위원소나 핵종을 결정한다. 동위원소와 핵종이라는 용어는 동의어로 사용되는 경우가 많지만, 각각 화학적 특성과 핵적 특성을 가리킨다. 엄밀히 말하면 동위원소는 양성자 수가 같은 두 개 이상의 핵종이며, 중성자 수가 같은 핵종을 동위원소라고 한다. 기호 A인 원자 질량 번호는 Z+N과 같다. 원자 질량 수가 같은 핵종을 이소바르라고 한다. 수소 원자의 가장 흔한 동위원소(화학 기호 1H)의 핵은 외로운 양성자 이다. 중수소 동위원소 중수소(D 또는 2H)와 삼중수소(T 또는 3H)의 핵은 각각 1개의 중성자와 2개의 중성자에 결합된 양성자를 포함하고 있다. 다른 모든 형태의 원자핵은 두 개 이상의 양성자와 다양한 수의 중성자로 구성되어 있다. 일반적인 화학 원소 납의 가장 흔한 핵종인 208Pb는 82개의 양성자와 126개의 중성자를 가지고 있다. 핵종 표는 알려진 모든 핵종으로 구성된다. 화학 원소가 아니더라도 중성자는 이 표에 포함되어 있다.

자유 중성자의 질량은 939,565,413.3 eV/c2 또는 1.674927471×10^-27kg 또는 1.0086491588 u. 중성자의 평균 제곱 반경은 약 0.8×10^-15m, 즉 0.8 fm,이며 스핀형 페르미온이다. 중성자는 측정할 수 있는 전하가 없다. 양성자는 양전하로 전기장의 직접적인 영향을 받는 반면 중성자는 전기장의 영향을 받지 않는다. 그러나 중성자는 자기장이 있기 때문에 중성자는 자기장의 영향을 받는다. 중성자의 자기 모멘트는 음의 값을 가지고 있는데, 그 방향은 중성자의 스핀과 반대되기 때문이다.자유 중성자는 불안정하여 평균 수명이 15분(881.5±1.5초) 미만인 양성자, 전자, 안티뉴트리노로 붕괴한다. 베타 붕괴라고 알려진 이 방사성 붕괴는 중성자의 질량이 양성자보다 약간 크기 때문에 가능하다. 자유양자는 안정되어 있다. 그러나 핵에 결합된 중성자 또는 양성자는 핵종에 따라 안정적이거나 불안정할 수 있다. 중성자가 양자로 붕괴하는 베타 붕괴, 또는 그 반대인 베타 붕괴는 약한 힘에 의해 지배되며, 그것은 전자와 중성미자, 즉 그들의 반물질의 방출이나 흡수를 요구한다.

우라늄-235에 의한 중성자 흡수에 의한 핵분열. 무거운 핵종 조각들은 더 가벼운 성분과 추가적인 중성자로 이루어져 있다.

양성자와 중성자는 핵 내의 핵력에 의해 거의 동일하게 작용한다. 양성자와 중성자를 같은 입자의 두 양자 상태로 보는 이소스핀의 개념은 핵이나 약한 힘에 의한 핵자의 상호작용을 모형화하는 데 사용된다. 단거리에서의 핵력의 강도 때문에, 핵의 결합 에너지는 원자의 전자기 에너지 결합 전자보다 더 큰 크기의 7개 이상의 질서가 있다. 따라서 핵반응(핵분열 등)은 화학반응의 천만 배 이상의 에너지 밀도를 갖는다. 질량-에너지 동등성 때문에 핵 결합 에너지는 핵의 질량을 감소시킨다. 궁극적으로, 핵 구성요소의 전자파 반발로 발생하는 에너지를 저장할 수 있는 원자력의 능력은 원자로나 폭탄을 가능하게 하는 대부분의 에너지의 기초가 된다. 핵분열에서 무거운 핵종(예를 들어 우라늄-235)에 의한 중성자 흡수는 핵종을 불안정하게 만들고 빛 핵종과 추가 중성자로 침입한다. 그런 다음 양극 하전된 광핵종은 전자기 전위 에너지를 방출하면서 밀어낸다. 중성자는 쿼크로 만들어진 복합 입자이기 때문에 하드론으로 분류된다. 중성자는 또한 3개의 발란스 쿼크로 구성되기 때문에 바이런으로 분류된다. 중성자의 유한 크기와 그 자기 모멘트는 모두 중성자가 소립자가 아닌 복합 입자임을 나타낸다. 중성자에는 전하 -1½3e와 전하 +2½3e의 상층 쿼크가 2개 들어 있다. 양성자와 마찬가지로 중성자의 쿼크는 글루온에 의해 매개되는 강한 힘에 의해 함께 고정된다. 원자력은 보다 근원적인 강한 힘의 2차 영향에서 비롯된다.

중성자의 질량

중성자의 질량은 전하가 부족하여 질량분석법으로 직접 결정할 수 없다. 그러나 양성자와 중수자의 질량은 질량분석기로 측정할 수 있기 때문에 중성자의 질량은 중수자 질량에서 양성자 질량을 빼서 추론할 수 있는데, 그 차이는 중성자의 질량과 중수자의 결합 에너지(양 방출 에너지로 표현됨)가 된다. 후자는 중성자가 양성자에 의해 포획될 때 방출되는 단일 0.7822 MeV 감마 광자의 에너지 Bd와 중수소(약 0.06%)의 작은 반동 운동 에너지 Erd를 측정하여 직접 측정할 수 있다.

감마선의 에너지는 1948년 벨과 엘리엇에 의해 처음 행해진 것처럼 X선 회절 기법으로 높은 정밀도로 측정할 수 있다. 이 기법에 의한 중성자 질량에 대한 최상의 현대적(1986) 값은 그린 외 연구소에서 제공한다. 중성자 질량은 다음과 같다.

mnutron= 1.008644904(14) u

MeV에서 중성자 질량의 값은 알려진 u를 MeV로 변환하는 정확도가 낮기 때문에 덜 정확하게 알려져 있다.

mnutron= 939.563(28) MeV/c^2

중성자의 질량을 결정하는 또 다른 방법은 중성자의 베타 붕괴로부터 시작되는데, 이때 그 결과 양성자와 전자의 모멘타가 측정된다.

중성자의 스핀

중성자는 스핀 1/2 입자로, 즉 본질적인 각운동량이 1/2 ħ과 같은 페르미온이며, 여기서 ħ는 감소된 플랑크 상수다. 중성자가 발견된 후 여러 해 동안, 그 정확한 회전은 모호했다. 스핀 1/2 디락 입자로 가정했지만 중성자가 스핀 3/2 입자일 가능성은 남아 있었다. 중성자의 자기 모멘트와 외부 자기장의 상호작용은 중성자의 스핀을 최종적으로 결정하기 위해 이용되었다. 1949년 휴즈와 버지는 강자성 거울에서 반사된 중성자를 측정하여 반사의 각 분포가 스핀 1/2과 일치함을 발견했다. 1954년 셔우드, 스티븐슨, 번스타인은 중성자 스핀 상태를 분리하기 위해 자기장을 사용하는 스턴-게라크 실험에서 중성자를 채용했다. 그들은 스핀 1/2 입자와 일치하는 두 개의 스핀 상태를 기록했다. 페르미온으로서 중성자는 파울리 배타원리의 적용을 받는다. 두 개의 중성자는 동일한 양자수를 가질 수 없다. 이것이 중성자 별을 가능하게 하는 퇴화 압력의 원천이다.