Структура атома: что такое нейтрон? Нейтрон (элементарная частица)
"Выпущены первые пять тепловыделяющих сборок ТВС МОКС-топлива для реактора БН-800 Белоярской АЭС. Тем самым завершён этап освоения производства технологического комплекса МОКС ГХК", - сообщила пресс-служба ГХК.
Сейчас реализуются мероприятия, разработанные ГХК совместно с рядом предприятий Росатома, и направленные на повышение производительности производства, чтобы выполнить годовой план - 40 топливных сборок.
Энергоблок №4 Белоярской АЭС необходим для отработки ряда технологий замыкания ядерного топливного цикла на базе "быстрых" реакторов. В таком замкнутом цикле за счет расширенного воспроизводства ядерного "горючего", как считается, существенно расширится топливная база атомной энергетики, а также появится возможность уменьшить объемы радиоактивных отходов благодаря "выжиганию" опасных радионуклидов. Россия, как отмечают эксперты, занимает первое место в мире в технологиях строительства реакторов на быстрых нейтронах.
Блок №4 БАЭС с реактором БН-800 стал прототипом более мощных коммерческих "быстрых" энергоблоков БН-1200. Ранее сообщалось, что решение о строительстве пилотного блока БН-1200 также на Белоярской АЭС может быть принято в начале 2020-х годов.
Реактор БН-800 рассчитан на использование в нем МОКС-топлива, в котором можно применять плутоний, выделенный в процессе переработки отработавшего ядерного топлива реакторов на тепловых нейтронах, составляющих основу современной атомной энергетики. Промышленное производство МОКС-топлива для БН-800 было построено на ГХК с участием более 20 организаций российской атомной отрасли.
Начальная топливная загрузка реактора БН-800 была сформирована в основном из традиционного, уранового оксидного топлива. При этом часть топливных сборок содержит МОКС-топливо, изготовленное на опытных производствах других предприятий Росатома - НИИАР (Димитровград, Ульяновская область) и "Производственного объединения "Маяк" (ЗАТО Озерск, Челябинская область). Со временем реактор БН-800 должен быть переведен на МОКС-топливо производства ГХК.
Федеральное государственное унитарное предприятие "Горно-химический комбинат" (входит в дивизион заключительной стадии жизненного цикла объектов использования атомной энергии Росатома) имеет статус федеральной ядерной организации. ГХК - ключевое предприятие Росатома по созданию технологического комплекса замкнутого ядерного топливного цикла на основе инновационных технологий нового поколения. На ГХК впервые в мире сосредоточены сразу три высокотехнологичных передела - хранение отработавшего ядерного топлива реакторов АЭС, его переработка и производство нового ядерного МОКС-топлива для реакторов на быстрых нейтронах.
Что такое нейтрон? Каковы его структура, свойства и функции? Нейтроны - это самые большие из частиц, составляющих атомы, являющиеся строительными блоками всей материи.
Структура атома
Нейтроны находятся в ядре - плотной области атома, также заполненной протонами (положительно заряженными частицами). Эти два элемента удерживаются вместе при помощи силы, называем ядерной. Нейтроны имеют нейтральный заряд. Положительный заряд протона сопоставляется с отрицательным зарядом электрона для создания нейтрального атома. Несмотря на то что нейтроны в ядре не влияют на заряд атома, они все же обладают многими свойствами, которые влияют на атом, включая уровень радиоактивности.
Нейтроны, изотопы и радиоактивность
Частица, которая находится в ядре атома - нейтрон на 0,2% больше протона. Вместе они составляют 99,99% всей массы одного и того же элемента могут иметь различное количество нейтронов. Когда ученые ссылаются на атомную массу, они имеют в виду среднюю атомную массу. Например, углерод обычно имеет 6 нейтронов и 6 протонов с атомной массой 12, но иногда он встречается с атомной массой 13 (6 протонов и 7 нейтронов). Углерод с атомным номером 14 также существует, но встречается редко. Итак, атомная масса для углерода усредняется до 12,011.
Когда атомы имеют различное количество нейтронов, их называют изотопами. Ученые нашли способы добавления этих частиц в ядро для создания больших изотопов. Теперь добавление нейтронов не влияет на заряд атома, так как они не имеют заряда. Однако они увеличивают радиоактивность атома. Это может привести к очень неустойчивым атомам, которые могут разряжать высокие уровни энергии.
Что такое ядро?
В химии ядро является положительно заряженным центром атома, который состоит из протонов и нейтронов. Слово «ядро» происходит от латинского nucleus, которое является формой слова, означающего "орех" или "ядро". Этот термин был придуман в 1844 году Майклом Фарадеем для описания центра атома. Науки, участвующие в исследовании ядра, изучении его состава и характеристик, называются ядерной физикой и ядерной химией.
Протоны и нейтроны удерживаются сильной ядерной силой. Электроны притягиваются к ядру, но двигаются так быстро, что их вращение осуществляется на некотором расстоянии от центра атома. Заряд ядра со знаком плюс исходит от протонов, а что такое нейтрон? Это частица, которая не имеет электрического заряда. Почти весь вес атома содержится в ядре, так как протоны и нейтроны имеют гораздо большую массу, чем электроны. Число протонов в атомном ядре определяет его идентичность как элемента. Число нейтронов означает, какой изотоп элемента является атомом.
Размер атомного ядра
Ядро намного меньше общего диаметра атома, потому что электроны могут быть отдалены от центра. Атом водорода в 145 000 раз больше своего ядра, а атом урана в 23 000 раз больше своего центра. Ядро водорода является наименьшим, потому что оно состоит из одиночного протона.
Расположение протонов и нейтронов в ядре
Протон и нейтроны обычно изображаются как уплотненные вместе и равномерно распределенные по сферам. Однако это упрощение фактической структуры. Каждый нуклон (протон или нейтрон) может занимать определенный уровень энергии и диапазон местоположений. В то время как ядро может быть сферическим, оно может быть также грушевидным, шаровидным или дисковидным.
Ядра протонов и нейтронов представляют собой барионы, состоящие из наименьших называемых кварками. Сила притяжения имеет очень короткий диапазон, поэтому протоны и нейтроны должны быть очень близки друг к другу, чтобы быть связанными. Это сильное притяжение преодолевает естественное отталкивание заряженных протонов.
Протон, нейтрон и электрон
Мощным толчком в развитии такой науки, как ядерная физика, стало открытие нейтрона (1932 год). Благодарить за это следует английского физика который был учеником Резерфорда. Что такое нейтрон? Это нестабильная частица, которая в свободном состоянии всего за 15 минут способна распадаться на протон, электрон и нейтрино, так называемую безмассовую нейтральную частицу.
Частица получила свое название из-за того, что она не имеет электрического заряда, она нейтральна. Нейтроны являются чрезвычайно плотными. В изолированном состоянии один нейтрон будет иметь массу всего 1,67·10 - 27 , а если взять чайную ложку плотно упакованную нейтронами, то получившийся кусок материи будет весить миллионы тонн.
Количество протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свою уникальную идентичность. В атомах некоторых элементов, например углерода, число протонов в ядрах всегда одинаково, но количество нейтронов может различаться. Атом данного элемента с определенным количеством нейтронов в ядре называется изотопом.
Опасны ли одиночные нейтроны?
Что такое нейтрон? Это частица, которая наряду с протоном входит в Однако иногда они могут существовать сами по себе. Когда нейтроны находятся вне ядер атомов, они приобретают потенциально опасные свойства. Когда они двигаются с высокой скоростью, они производят смертельную радиацию. Так называемые нейтронные бомбы, известные своей способностью убивать людей и животных, при этом оказывают минимальное влияние на неживые физические структуры.
Нейтроны являются очень важной частью атома. Высокая плотность этих частиц в сочетании с их скоростью придает им чрезвычайную разрушительную силу и энергию. Как следствие, они могут изменить или даже разорвать на части ядра атомов, которые поражают. Хотя нейтрон имеет чистый нейтральный электрический заряд, он состоит из заряженных компонентов, которые отменяют друг друга относительно заряда.
Нейтрон в атоме - это крошечная частица. Как и протоны, они слишком малы, чтобы увидеть их даже с помощью электронного микроскопа, но они там есть, потому что это единственный способ, объясняющий поведение атомов. Нейтроны очень важны для обеспечения стабильности атома, однако за пределами его атомного центра они не могут существовать долго и распадаются в среднем всего лишь за 885 секунд (около 15 минут).
Нейтрон (лат. neuter – ни тот, ни другой) – элементарная частица с нулевым электрическим зарядом и массой немного больше массы протона. Масса нейтрона m n =939,5731(27) Мэв/с 2 =1,008664967 а.е.м . =1,675 10 -27 кг . Электрический заряд =0. Спин =1/2, нейтрон подчиняется статистике Ферми. Внутренняя четность положительна. Изотопический спин Т=1/2. Третья проекция изоспина Т 3 = -1/2. Магнитный момент = -1,9130 . Энергия связи в ядре энергия покоя Е 0 = m n c 2 = 939,5 Мэв . Свободный нейтрон распадается с периодом полураспада Т 1/2 = 11 мин по каналу за счет слабого взаимодействия. В связанном состоянии (в ядре) нейтрон живет вечно. «Исключительное положение нейтрона в ядерной физике, подобно положению электрона в электронике». Благодаря отсутствию электрического заряда нейтрон любой энергии легко проникает в ядро, и вызывает разнообразные ядерные превращения.
Примерная классификация нейтронов по энергиям приведена в табл.1.3
| Название | Область энергии (эв ) | Средняя энергия Е(эв ) | Скорость см/сек | Длина волны λ (см ) | Температура Т(К о) | |
| ультрахолодные | <3 10 - 7 | 10 - 7 | 5 10 2 | 5 10 -6 | 10 -3 | |
| холодные | 5 10 -3 ÷10 -7 | 10 -3 | 4,37 10 4 | 9,04 10 -8 | 11,6 | |
| тепловые | 5 10 -3 ÷0,5 | 0,0252 | 2,198 10 5 | 1,8 10 -8 | ||
| резонансные | 0,5÷50 | 1,0 | 1,38 10 6 | 2,86 10 -9 | 1,16 10 4 | |
| медленные | 50÷500 | 1,38 10 7 | 2,86 10 -10 | 1,16 10 6 | ||
| промежуточные | 500÷10 5 | 10 4 | 1,38 10 8 | 2,86 10 -11 | 1,16 10 8 | |
| быстрые | 10 5 ÷10 7 | 10 6 =1Мэв | 1,38 10 9 | 2,86 10 -12 | 1,16 10 10 | |
| Высокоэнергет. | 10 7 ÷10 9 | 10 8 | 1,28 10 10 | 2,79 10 -13 | 1,16 10 12 | |
| релятивистские | >10 9 =1 Гэв | 10 10 | 2,9910 10 | 1,14 10 -14 | 1,16 10 14 |
Реакции под действием нейтронов многочисленны: (n, γ ), (n,p ), (n,n’ ), (n, α), (n ,2n ), (n,f ).
Реакции радиационного захвата(n, γ ) нейтрона с последующим испусканием γ –кванта идут на медленных нейтронах с энергией от 0÷500 кэв .
Пример: Мэв .
Упругое рассеяние нейтронов (n, n ) широко используется для регистрации быстрых нейтронов методом ядер отдачи в трековых методах и для замедления нейтронов.
При неупругом рассеянии нейтронов (n,n’ ) происходит захват нейтрона с образованием составного ядра, которое распадается, выбрасывая нейтрон с энергией меньшей, чем имел первоначальный нейтрон. Неупругое рассеяние нейтронов возможно, если энергия нейтрона в раз превышает энергию первого возбужденного состояния ядра мишени. Неупругое рассеяние - пороговый процесс.
Нейтронная реакция с образованием протонов (n,p ) происходит под действием быстрых нейтронов с энергиями 0,5÷10 мэв. Наиболее важными являются реакции получения изотопа трития из гелия-3:
Мэв с сечением σ тепл = 5400 барн ,
и регистрация нейтронов методом фотоэмульсий:
0,63 Мэв с сечением σ тепл = 1,75 барн .
Нейтронные реакции (n, α) с образованием α-частиц эффективно протекают на нейтронах с энергией 0,5÷10 Мэв. Иногда реакции идут на тепловых нейтронах: реакция выработки трития в термоядерных устройствах.
Глава первая. СВОЙСТВА СТАБИЛЬНЫХ ЯДЕР
Выше уже было сказано, что ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами. Если измерять массу ядра в атомных единицах массы, то она должна быть близка к массе протона, умноженной на целое число называемое массовым числом. Если заряд ядра а массовое число то это означает, что в состав ядра входит протонов и нейтронов. (Число нейтронов в составе ядра обозначается обычно через
Эти свойства ядра отражены в символических обозначениях, которые будут использованы в дальнейшем в виде
где X - название элемента, атому которого принадлежит ядро (например, ядра: гелия - , кислорода - , железа - урана
К числу основных характеристик стабильных ядер можно отнести: заряд, массу, радиус, механический и магнитный моменты, спектр возбужденных состояний, четность и квадрупольный момент. Радиоактивные (нестабильные) ядра дополнительно характеризуются временем жизни, типом радиоактивных превращений, энергией испускаемых частиц и рядом других специальных свойств, о которых будет сказано далее.
Прежде всего рассмотрим свойства элементарных частиц, из которых состоит ядро: протона и нейтрона.
§ 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОТОНА И НЕЙТРОНА
Масса. В единицах массы электрона: масса протона масса нейтрона .
В атомных единицах массы: масса протона масса нейтрона
В энергетических единицах масса покоя протона масса покоя нейтрона
Электрический заряд. q - параметр, характеризующий взаимодействие частицы с электрическим полем, выражается в единицах заряда электрона где
Все элементарные частицы несут количество электричества, равное либо 0, либо Заряд протона Заряд нейтрона равен нулю.
Спин. Спины протона и нейтрона равны Обе частицы являются фермионами и подчиняются статистике Ферми-Дирака, а следовательно, и принципу Паули.
Магнитный момент. Если подставить в формулу (10), определяющую магнитный момент электрона вместо массы электрона массу протона, получим
Величина называется ядерным магнитоном. Можно было предположить по аналогии с электроном, что спиновый магнитный момент протона равен Однако опыт показал, что собственный магнитный момент протона больше ядерного магнетона: по современным данным
Кроме того, оказалось, что незаряженная частица - нейтрон - также имеет магнитный момент, отличный от нуля и равный
Наличие магнитного момента у нейтрона и столь большое значение магнитного момента у протона противоречат предположениям о точечности этих частиц. Ряд экспериментальных данных, полученных в последние годы, свидетельствует о том, что и протон и нейтрон обладают сложной неоднородной структурой. В центре нейтрона при этом находится положительный заряд, а на периферии равный ему по величине распределенный в объеме частицы отрицательный заряд. Но поскольку магнитный момент определяется не только величиной обтекающего тока, но и охватываемой им площадью, то создаваемые ими магнитные моменты не будут равны. Поэтому нейтрон может обладать магнитным моментом, оставаясь в целом нейтральным.
Взаимные превращения нуклонов. Масса нейтрона больше массы протона на 0,14%, или на 2,5 массы электрона,
В свободном состоянии нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино: Среднее время жизни его близко к 17 мин.
Протон - частица стабильная. Однако внутри ядра он может превращаться в нейтрон; при этом реакция идет по схеме
Разница в массах частиц, стоящих слева и справа, компенсируется за счет энергии, сообщаемой протону другими нуклонами ядра.
Протон и нейтрон имеют одинаковые спины, почти одинаковые массы и могут превращаться друг в друга. В дальнейшем будет показано, что и ядерные силы, действующие между этими частицами попарно, тоже одинаковы. Поэтому их называют общим наименованием - нуклон и говорят, что нуклон может находиться в двух состояниях: протон и нейтрон, отличающихся своим отношением к электромагнитному полю.
Нейтроны и протоны взаимодействуют благодаря существованию ядерных сил, имеющих неэлектрическую природу. Своим происхождением ядерные силы обязаны обмену мезонами. Если изобразить зависимость потенциальной энергии взаимодействия протона и нейтрона малых энергий от расстояния между ними то приближенно она будет иметь вид графика, представленного на рис. 5, а, т. е. имеет форму потенциальной ямы.
Рис. 5. Зависимость потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между нуклонами: а - для пар нейтрон - нейтрон или нейтрон - протон; б - для пары протон - протон
