Neutron

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Materie bestaat op de kleinste schaal uit elementaire deeltjes

Een neutron is een subatomair deeltje zonder elektrische lading dat voorkomt in atoomkernen. Het is opgebouwd uit 3 quarks, namelijk 2 down-quarks en 1 up-quark. Alle atoomkernen op één na bevatten naast een of meer protonen ook een of meer neutronen. De enige uitzondering is 1H (de meest voorkomende vorm van waterstof), waarvan de kern uit alleen één proton bestaat. De massa van het neutron is vrijwel gelijk aan die van het proton (het neutron is iets zwaarder), maar het neutron mist de positieve lading van het proton.

Ontdekking[bewerken]

In 1920 had Ernest Rutherford gespeculeerd over het mogelijke bestaan van het neutron. Hij had een ongelijkheid gevonden tussen het atoomnummer en de atoommassa. Aanvankelijk werd dit verschil verklaard door aan te nemen dat de ontbrekende elektronen door protonen uit de kern waren geabsorbeerd en dus een neutrale proton-elektronconfiguratie vormden.

Rutherfords visie viel in 1927 in duigen. De wiskundige Paul Dirac verklaarde, als uitvloeisel van de kwantummechanica, dat zowel het proton als het elektron bleken rond te tollen en altijd met dezelfde snelheid. Op basis van wat nu bekendstaat als de de 'stikstofanomalie' werd duidelijk dat een neutron geen combinatie van deze twee deeltjes kon zijn. Metingen lieten zien dat een stikstofatoom uit een even aantal ronddraaiende samengestelde deeltjes moest bestaan, maar massametingen bewezen dat er een oneven aantal 'neutronen' aanwezig waren. Het plaatje van Rutherford van de proton-elektronconfiguratie voldeed niet aan de feiten.

In 1931 ontdekten Walther Bothe en Herbert Becker van de universiteit van Heidelberg dat bij beschieting van beryllium met sterk energetische α-deeltjes er een ongewoon doordringende straling werd geproduceerd. In eerste instantie werd gedacht dat dit γ-straling was, ondanks dat deze doordringender was dan γ-straling. De volgende belangrijke bijdrage werd gerapporteerd in 1932 door het echtpaar Frédéric en Irène Joliot-Curie. Uit hun experimenten bleek dat deze uitgezonden γ-stralen zo sterk waren dat ze in staat waren protonen uit paraffine, een waterstofrijke materie, te stoten via het Compton-effect.

Naar aanleiding van deze publicatie voerde James Chadwick een serie van experimenten uit waarin hij aantoonde dat hij niet met γ-straling had te doen maar met het door Rutherford gepostuleerde neutrale deeltje. Reeds op 27 februari 1932, ruim een maand na het artikel van Joliot-Curie verscheen zijn antwoord in Nature: "Possible Existance of a Neutron".[1] Een uitgebreider artikel, nu met de zelfverzekerde titel "The Existence of a Neutron" verscheen drie maanden later in de Proceedings van de Royal Society.[2][3] Door beryllium te beschieten met α-deeltjes (9Be + α → 12C + n) kon hij de massa van het neutron bepalen op 1,66033×10-27 kg. In 1935 ontving Chadwick hiervoor de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

Eigenschappen[bewerken]

Het Feynmandiagram voor bètaverval van een neutron in een proton, elektron en elektron-antineutrino via een W-boson.

De rustmassa van een neutron is 1,008665 atomaire massa-eenheid (a.e.), dat is 1,67493 × 10-27 kg. Het deeltje kan vrijkomen bij kernsplitsing, bijvoorbeeld in kernreactoren en bij de explosie van een atoombom, maar het is in deze vrije toestand (dus buiten de atoomkern) niet stabiel. De gemiddelde vervaltijd (aangeduid met τ) is 14 minuten en 46 seconden (886 seconden). Via de zwakke kernkracht vervalt het tot een elektron, een proton en een elektron-antineutrino.

\mathrm{n}\rightarrow\mathrm{p}+\mathrm{e}^-+\bar{\nu}_e + 0{,}78\,\mathrm{MeV}

Dit is een voorbeeld van β-verval (elektronenemissie wordt bètastraling genoemd). Vrijwel alle massa wordt daarbij doorgegeven aan het proton.

Neutronen in onstabiele atoomkernen kunnen ook deze wijze vervallen, echter binnen een atoomkern kunnen protonen ook veranderen in een neutron via invers bètaverval. Deze transformatie treedt op samen met de emissie van een anti-elektron (positron) en een elektron-neutrino.

\mathrm{p}\rightarrow\mathrm{n}+\mathrm{e}^++\nu_e

De transformatie van een proton in een neutron binnen de atoomkern is ook mogelijk door elektroninvang.

\mathrm{p}+\mathrm{e}^-\rightarrow\mathrm{n}+\nu_e

Positroninvang door een neutron in atoomkernen die een overdaad aan neutronen bevat is ook mogelijk, maar wordt tegengewerkt doordat positronen worden afgestoten door de positief geladen atoomkern en daarnaast snel annihileren indien ze elektronen tegenkomen.

Neutronen die gevormd worden in een atoomkern zijn wel stabiel omdat de instabiliteit van een neutron wordt gebalanceerd met de instabiliteit die zou ontstaan in de kern als een neutron via bètaverval verandert in een proton. (Het proton zal deelnemen aan afstotende interacties met de andere protonen die reeds in de kern aanwezig zijn.) Dezelfde redenering verklaart ook waarom protonen – die stabiel zijn in de vrije ruimte – kunnen transformeren in neutronen indien ze gebonden zijn in een atoomkern.

Neutronen spelen een belangrijke rol in kernreacties:

Zij kunnen ook gebruikt worden voor structuuronderzoek:

De snelheid van een vrij neutron correspondeert met een bepaalde temperatuur, er wordt daarom wel gesproken van de neutronentemperatuur. Zie ook uranium.

Zie ook[bewerken]

Bronnen, noten en/of referenties
  1. Chadwick, J. (1932). Possible Existence of a Neutron. Nature 129 (3252): 312 . DOI:10.1038/129312a0.
  2. Chadwick, J. (1932). The Existence of a Neutron. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 136 (830): 692 . DOI:10.1098/rspa.1932.0112.
  3. Chadwick, J. (1933). Bakerian Lecture. The Neutron. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 142 (846): 1 . DOI:10.1098/rspa.1933.0152.