nøytron

Nøytroner brukes i forskning for å avdekke fysiske og kjemiske egenskaper til forskjellige materialer.

En vanlig eksperimentell teknikk innen forskning på faste stoffer er nøytronspredning. En stråle med nøytroner kan sendes mot et materiale. Dette fører til at nøytronene i strålen endrer retning. Årsaken er at nøytronene kolliderer med atomkjernene.

Når to partikler som har elektrisk ladning kolliderer, er det coulombkraften som gjør at partiklene kan bytte retning etter kollisjonen. Det at nøytronene ikke har elektrisk ladning gjør at de ikke vekselvirker i nevneverdig grad med elektroner i materialer. I stedet kolliderer nøytronene med atomkjerner, hvor kraften som virker på partiklene i kollisjonen primært skyldes sterk vekselvirkning.

Siden nøytronene kolliderer med atomkjerner, kan man regne ut hvor atomkjernene befinner seg ved å måle i hvilken retning nøytronene beveger seg etter kollisjonen. Dette betyr at nøytroner gir informasjon om selve krystallstrukturen i faste stoffer. Spredning av nøytroner på materialer, for eksempel gull, gir også informasjon om fononer.

Nøytronstråling er svært helsefarlig. Biologiske skadevirkninger oppstår når nøytroner støter mot en enkel atomkjerne i et molekyl. Dette er delvis fordi molekylet ødelegges, og delvis fordi det blir indusert radioaktiv stråling når atomkjernen blir utsatt for nøytronstråling.

Radioaktiv stråling kan ødelegge biologisk vev ved at den ioniserer atomer. Dette fører til kjemiske reaksjoner som skader vevet.

Siden nøytroner kan ødelegge biologisk vev, har det blitt forsket på å bruke nøytroner til å ødelegge kreftsvulster. Den største utfordringen med dette er å forhindre nøytronene fra å samtidig ødelegge friskt vev i nærheten av kreftsvulsten.

Én måte å løse denne utfordringen på er å gi pasienten en medisin basert på bor, som fører til at bor samler seg opp i svulsten. Når pasienten deretter blir bestrålt med nøytroner vil nøytronene bli absorbert av kreftsvulsten i større grad enn det nærliggende friske vevet.

Et nøytron er litt tyngre enn et proton. Nøytronets masse er 1,67492·10^-27 kilo (tall på standardform), som tilsvarer 1,00866 atommasseenheter.

Nøytroner har også en intern dreieimpuls som kalles spinn. Verdien til spinnet er \(\frac{1}{2} \hbar\) hvor (\(\hbar\) er Plancks konstant h delt på 2π. Spinnet har denne verdien også hvis nøytronet ikke beveger seg.

Et nøytron består av tre kvarker. Alle kvarkene har elektrisk ladning, selv om nøytronet i seg selv er nøytralt. Et nøytron består av én opp-kvark og to ned-kvarker.

Selv om nøytroner er elektrisk nøytrale, har de et magnetisk moment på omtrent 1,041·10^-3μ_B, der μ_B er en bohrmagneton. Det at nøytroner har et magnetisk moment viser at de har en elektromagnetisk struktur, selv om den samlede elektriske ladningen til nøytronet er null. Den elektromagnetiske strukturen kommer av en fordeling av den elektriske ladningen inne i nøytronet, fordi nøytronet består av kvarker.

Nøytronet må ifølge standardmodellen for partikkelfysikk også ha et endelig, men svært lite elektrisk dipolmoment på grunn av brudd på CP-symmetri.

Et fritt nøytron er radioaktivt med en halveringstid på omtrent 15 minutter. Nøytronet henfaller til et proton, et elektron og et antinøytrino gjennom en prosess som kalles beta-desintegrasjon. Dette betyr at frie nøytroner ikke er stabile partikler, siden de eksisterer i gjennomsnitt i 15 minutter før de forandrer seg til andre partikler.

Nøytroner som ikke er frie, men som istedet er en del av en atomkjerne, kan være stabile. Det er på grunn av vekselvirkningene mellom nøytroner og protoner i atomkjernen som forhindrer nøytronet fra å henfalle.

En atomkjerne som i utgangspunktet ikke er radioaktiv kan bli det gjennom nøytroninnfanging.

Enkelte tunge (fissile) atomkjerner vil, etter å ha fanget inn et nøytron, straks spaltes i to omtrent like tunge deler. Samtidig frigjøres noen få nøytroner som kan fanges inn av andre fissile kjerner, slik at det oppstår en kjedereaksjon. Dette prinsippet ligger til grunn for frigjøring av kjernefysisk energi ved fisjon.

Fordi nøytronene ikke har elektrisk ladning, blir de lite påvirket av atomenes elektroner. De har dermed stor evne til å trenge gjennom alt stoff. Apparater som produserer nøytroner må derfor skjermes med opptil flere meter tykke betongvegger.