نوترون

[moo2010]

تاریخچه
از آنجا که اتمها از نظر الکتریکی خنثی هستند، تعداد الکترونها و پروتونها در هر اتم بایستی برابر باشند. برای توجیه جرم کل اتمها ، ارنست رادرفورد در 1920 وجود ذراتی بدون بار را در هسته اتم مسلم دانست. چون این ذرات بدون بارند، تشخیص و تعیین خواص آنها مشکل است.

ولی در 1932 جیمز چادویک نتیجه کارهای خود را درباره اثبات وجود این ذرات که نوترون (از واژه لاتین به معنای خنثی) نامیده می‌شوند، منتشر کرد. او توانست با استفاده از داده های بدست آمده از بعضی از واکنشهای هسته‌ای مولد نوترون ، جرم نوترون را محاسبه کند. چادویک با در نظر گرفتن جرم و انرژی تمامی ذراتی که در این واکنشها مصرف و تولید می‌شوند، جرم نوترون را محاسبه کرد. جرم نوترون 24-10×6749/1 g است که اندکی بیش از جرم پروتون (24-10×6726/1 گرم) می‌باشد.


معادله واکنش نوترونی
گسیل نوترون برای اولین بار در سال 1932 در ضمن بمباران بریلیم با ذرات ‏آشکار شد. درنتیجه گیراندازی ذره آلفا توسط هسته بریلیم ، هسته کربن ‏تشکیل و نوترون گسیل شد. بعدها شمار زیادی ‏واکنشهای هسته‌ای کشف شد که نوترون آزاد می‌کردند.
انواع نوترون‏
نوترونهای سرد

نوترونهای کند نوترونهای حرارتی)

نوترونهای تند نوترونهای سریع)

نوترونهای فوق سریع نوترونهای نسبیتی)

چشمه تولید نوترون
برای بدست آوردن نوترون مثل سابق واکنش ذره آلفا با بریلیم معمول ‏است. حتی اکنون نیز آمپولهای محتوی آمیزه ای از ماده پرتوزای آلفا و گرد ‏بریلیم بعنوان چشمه تراکم نوترون بکار می‌رود. چنین چشمه نوترونی ‏را در نزدیکی اتاقک ابر ویلسون در حال کار قرار می‌دهیم که در آن لایه ‏نازکی از ماده محتوی هیدروژن مثلاً پارافین قراردارد.

روی عکسی که از این اتاقک گرفته شود، ردهایی مشاهده می‌شود که از ‏این لایه خارج می‌شوند. چنانکه می‌توان از روی جنس یونش پی برد که ‏اینها ردهای پروتون هستند. تمام ردها به طرف جلو هستند. آنها با پرتونهایی ‏ایجاد شده‌اند که بعلت برخورد نوترونهای تند گسیل شده از چشمه از ‏لایه خارج شده اند. خود نوترونها که از اتاقک می‌گذرند ردی ندارند.

بنابراین ، نوترونها یونش ‏قابل ملاحظه‌ای تولید نمی‌کنند، یعنی برخلاف ذرات باردار آنها با الکترونها ‏عملاً اندر کنش ندارند. نوترونها با گذر از میان ماده فقط با هسته های اتمی ‏اندرکنش می‌کنند. ولی نظر به اینکه اندازه هسته‌ها خیلی کوچک است، ‏برخورد نوترونها با آنها خیلی بندرت صورت می‌گیرد.


آشکارسازی باریکه نوترونی
برای اینکه نوترون یک ذره خنثی می‌باشد، از مکانیزمهای آشکارسازی ذرات باردار نمی‌توان برای آشکار سازی نوترون استفاده کرد. اخیرا دانشمندان بکمک آشکارسازهای کوانتومی ، تداخل سنجهای نوترونی ، اسپکترومتر جرمی کوانتومی ، برخوردهای ذرات بنیادی ، بمباران نوترونی مواد و نیز واکنشهای هسته‌ای از جمله واکنش زنجیری شکافت نوترونها را آشکارسازی نموده اند.

[moo2010]

هسته ئيدروژن كوچكترين هسته هاست وبار الكتريكي آن 1+ است كه با بار الكتريكي تنها الكترون اتم ئيدروژن در حال تعادل است . درسال 1914 ميلادي رادرفرد با اطمينان كامل اظهار داشت كه بار الكتريكي كمتر از آن امكان ندارد . او هسته ئيدروژن را پروتون( proton ) نا ميدكه واژه اي است بر گرفته از يك واژه يوياني به معني نخست .
چنين به نظر مي رسد كه هسته اتم هاي عنصر هاي ديگر هم در در برابر هر بار الكتريكي مثبت خود داراي يك پروتون است . بنا براين هسته اتم هليوم 2 پروتون ، هسته اتم كربن 6 پروتون و هسته اتم اكسيژن 8 پروتون دارد و همچنين است هسته اتمهاي عنصرهاي ديگر .
با اين همه اين اظهار نظر با همه واقعيتهايي كه هنگام آزمايشهاي گوناگون بدست آمده است سازگار نبود مثلا بار الكتريكي هسته اتم هليوم 2+ بود و مي بايست داراي 2پروتون باشد در اين صورت جرو آن دو برابر جرم هسته اتم ئيدروژن ميشد كه داراي يك پروتون است اما همان طور كه پيش از اين گفتيم هسته هليوم كه عبارت از ذره آلفا است داراي جرمي است كه چهار برابر جرم هسته اتم ئيدروزن است . از اينجا معلوم مي شود كه 2 پروتون موجود در هسته اتم فقط هليوم فقط نصف جرم هسته را تشكيل مي دهند پس نصف ديگر جرم هسته از كجاست ؟
اين اختلاف ميان جرم پروتونها وجرم اتم در همه اتم هايي كه بار الكتريكي انها بيش از1+است وجود دارد . مثلاهسته اتم اورانيوم داراي 92 پرتون است اما جرم آن 238 برابرجرم هسته ئيدروژن است . دانشمندان مي كوشيدند تا براي جرم اضافي دليلي بيابند اما هيچ يك از راه حلهايي كه نشان مي دادند مشكل راحل نمي كرد تا اينكه در سال 1932 ميلادي (1311 شمسي )جميز چادويك دانشمند انگايسي پاسخ درست اين پرسش را پيدا كرد .
دانشمندان راههايي انديشيده بودند تا بتوانند مسير جريان الكترون ها و پروتونها را معلوم كنند بار الكتريكي اين ذرات سبب شد كه دور انها را قطره هاي بسيار ريزآب فرا گيرد ورد قطره هاي ريز آب در دستگاهي كه اتاقك ابر ناميده مي شد مسير اين درات را نشان مي داد .
اما هنگامي كه ذرات آلفا به هسته اتم هاي عنصري به نام بريليوم برخورد مي كردند ، تابشي به مي آمد كه دور ذرات آن را قطره هاي آب فرا نمي گرفت وبه همين سبب مسير ذرات براي دانشمندان مشخص نمي شد . اما دانشمندان از وجود چنين تابشي مطمئن بودند زيرا وقتي كه اين ذرات وارد پارافين مي شدند از هسته اتم هاي پارافين پروتون هاي جدا مي كردند و مشخص كردن مسير اين پرو تونها براي دانشمندان آسان بود . چدويك دريافت كه بايد چيزي اين پروتون ها را از هسته اتمهاي پارافين جدا كرده باشد . پروتون ذره اي است سنگين و با جرم زياد و چيزي كه آن را از همه جدا مي كند بايد مانند خودش سنگين باشد الكترونها نمي توانستند پروتون ها را از هسته جدا كنند زيرا خيلي سبك هستند . از طرف ديگر آنچه پروتون ها را از هسته جدا مي كرد مي بايست ذراتي بدون بار الكتريكي باشند زيرا اگر دا راي بار الكتريكي بودند قطره هاي ريز آب دور آنها را فرا مي گرفت و مسير آنها مشخص مي شد .
بنا بر اين چدويك به اين نتيجه رسيد كه آنچه پروتونها را از هسته اتمهاي پارافين جدا مي كند ذراتي هستند مانند خود پروتون ها كه بار الكتريكي ندارند اين ذرات جديد كه چدويك به وجود آنها پي برد نه بار الكتريكي مثبت داستند ، نه بار الكتريكي منفي . آنها ذراتي بودند خنثي . به همين سبب چدويك آنها را نوترون ( neutron) ناميدند . واژه اي نوترون از يكي از واژه هاي لاتيني ساخته شده است كه معني آن نه مثبت است ونه منفياست .
اين كشف جديد مشكل هسته اتم را حل كرد هسته از دو نوع ذره به نامهاي پروتون و نوترون تشكيل شده است . هسته اتم هليوم داراي 2 پروتون و 2 نوترون است در هسته هليوم بار الكتريكي 2+ به سبب وجود 2 پروتون است . از طرف ديگر جرم 2 پروتون و 2 نوترون در هسته هليوم سبب مي شود كه جرم آن 4 برابر جرم هسته اتم ئيدروژن با شد كه فقط يك پروتون دارد .
اين موضوع درباره هسته همه اتم ها درست است يعني هسته همه اتم ها از پروتون و نوترون تشكيل شده اند . تنها هسته اتم ئيدروژن است كه از يك پروتون تشكيل شده است . هسته اورا نيوم داراي 92 پروتون و 146 نوترون است . بار الكتريكي آن از 92+ است اما جرم آن 238 يعني مجموع 92 و 146 است . به گفته ديگر جرم هسته اورانيوم 238 برابر جرم يك پروتون است .
هسته همه اتمهاي يك عنصر از نظر شماره پروتون ها با يكديگر برابرند اما شماره نوترون ها ممكن است در همه اتم هاي يك عنصر برابر نياشد . مثلا هسته همه اتمهاي اورانيوم 92 پروتون دارد ولي در بعضي از اتمهاي اورانيوم نوترونها 143 عدد بيشتر نيستند . بار الكتريكي هسته همچنان 92+ است اما جرم آن 235 است يعني مجموع 143 و92 . به گفته ديگر جرم هسته 235 برابر جرم يك نوترون است .