นิวตรอน

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
โครงสร้างภายในของนิวตรอน

นิวตรอน (อังกฤษ: neutron) เป็นอนุภาคที่เป็นกลางไม่มีประจุไฟฟ้าอยู่ในนิวเคลียส มีจำนวนใกล้เคียงกับโปรตอนแต่อาจแตกต่างกันได้ เช่น ในฮีเลียมมีนิวตรอน 2 ตัว เท่ากับโปรตอน แต่ในเหล็กมี 30 ตัว และในยูเรเนียมมีนิวตรอนถึง 146 ตัว นิวตรอนอาจเกิดจากการอัดอิเล็กตรอนกับโปรตอนดังเช่นในดาวฤกษ์มวลมาก นิวตรอนเกิดจากควาร์กอัพ 1 อนุภาค และควาร์กดาวน์ 2 อนุภาค มีน้ำหนัก 1.67×10−24 กรัม ซึ่งเท่ากับโปรตอน คำว่า "นิวตรอน" มาจากภาษากรีซ neutral ที่แปลว่า เป็นกลาง

รัทเธอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) เป็นผู้ตั้งทฤษฎีการมีอยู่ของนิวตรอนเมื่อปี ค.ศ. 1920 โดยเขาพบว่าอะตอมของธาตุทุกชนิด เลขมวลจะมีค่าใกล้เคียงกับ 2 เท่าของเลขอะตอมเสมอ จึงสันนิษฐานได้ว่ามีอนุภาคอีกชนิดหนึ่งที่ยังไม่ถูกค้นพบ

การค้นพบ[แก้]

ในปี ค.ศ. 1931 รัทเธอร์ฟอร์ดพบว่า ถ้าอนุภาคแอลฟาพลังงานสูงมากถูกปล่อยจากพอโลเนียม แล้วกระทบกับวัตถุบาง ๆ เช่น เบริลเลียม โบรอน หรือลิเทียม จะเกิดรังสีชนิดหนึ่งที่มีอำนาจทะลุทะลวงผิดปกติขึ้น เป็นรังสีที่มีอานุภาพมากกว่ารังสีแกมมา แต่ผลการทดลองไม่สามารถอธิบายได้โดยง่าย ในปีต่อมา เฟรเดอริกและอีเรน โจเลียต-คูรี พบว่า ถ้ารังสีชนิดดังกล่าวตกลงบนพาราฟินหรือสารเนื้อผสมใด ๆ ที่มีไฮโดรเจนเป็นส่วนประกอบ สารนั้นจะปลดปล่อยโปรตอนหลายตัวด้วยพลังงานสูง ซึ่งขัดแย้งกับสมบัติของรังสีแกมมาตามธรรมชาติ แต่ผลการวิเคราะห์ข้อมูลยังไม่เป็นที่ยอมรับ

นิวตรอนถูกค้นพบโดย เซอร์ เจมส์ แชดวิก (Sir James Chadwick) ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ในปี ค.ศ. 1932 โดยแชดวิกได้ทำการทดลองโดยการยิงอนุภาคแอลฟาจากพอโลเนียมใส่แผ่นโบรอนบาง ๆ และรองรับอนุภาคด้วยเครื่องตรวจจับที่บรรจุแก๊สไนโตรเจนไว้ภายใน พบว่ามีอนุภาคหนึ่งหลุดมาและเป็นกลางทางไฟฟ้า จึงตั้งชื่อให้ว่า "นิวตรอน" [1] โดยการทดลองของทอมสันและโกลด์สตีนที่ใช้หลอดรังสีแคโทดไม่สามารถตรวจพบนิวตรอนได้ เพราะนิวตรอนไม่มีปฏิกิริยากับขั้วแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ในการทดลอง

คุณสมบัติ[แก้]

ความเสถียรและการสลายให้อนุภาคบีตา[แก้]

ไดอะแกรมของเฟย์นแมน (Feynman's Diagram) แสดงให้เห็นการสลายตัวของนิวตรอน เป็นโปรตอน อิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนแอนตินิวตริโน ชนิดละ 1 ตัว

จากแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค นิวตรอนประกอบไปด้วยควาร์กอัพ 1 ตัว ซึ่งมีประจุไฟฟ้า +2/3 e และควาร์กดาวน์ 2 ตัว แต่ละตัวมีประจุไฟฟ้า -1/3 e และรวมเป็น -2/3 e ซึ่งหักล้างกับควาร์กอัพ นิวตรอนจึงมีประจุไฟฟ้าเป็นศูนย์ เมื่ออยู่นอกนิวเคลียส นิวตรอนอิสระจะมีชีวิตอยู่ได้เพียง 885.7±0.8 วินาที (14 นาทีกับ 46 วินาที) เท่านั้น ส่วนครึ่งชีวิตของมันอยู่ที่ 613.9±0.8 วินาที (10 นาที 14 วินาที)

การปลดปล่อยพลังงานของอนุภาค W โบซอน สามารถทำให้ควาร์กดาวน์เปลี่ยนเป็นควาร์กอัพได้ และนั่นจะทำให้นิวตรอนสลายตัวให้โปรตอน อิเล็กตรอน และอิเล็กตรอนแอนตินิวตริโน ชนิดละ 1 ตัว ปฏิกิริยานี้เรียกว่า "การสลายให้อนุภาคบีตา" [2] ดังสูตรตามนี้

Error no symbol defined → Error no symbol defined + Error no symbol defined + Error no symbol defined

ทั้งนี้ นิวตรอนในนิวเคลียสที่ไม่เสถียรก็สามารถสลายตัวในลักษณะนี้ได้ อย่างไรก็ตาม โปรตอนก็สามารถสลายตัวกลับเป็นนิวตรอนได้เช่นกันผ่านกระบวนการกักอิเล็กตรอน หรือกระบวนการย้อนกลับของการสลายให้อนุภาคบีตา และให้โพซิตรอนกับอิเล็กตรอนนิวตริโนชนิดละ 1 ตัวเช่นกัน ดังนี้

Error no symbol defined → Error no symbol defined + Error no symbol defined + Error no symbol defined

แต่ถ้าโปรตอนรวมตัวกับอิเล็กตรอน จะปลดปล่อยนิวตรอนและอิเล็กตรอนนิวตริโนชนิดละ 1 ตัว ดังนี้

Error no symbol defined + Error no symbol defined → Error no symbol defined + Error no symbol defined

การกักโพซิตรอนด้วยนิวตรอนภายในนิวเคลียสที่มีนิวตรอนมากเกินไปสามารถเกิดขึ้นได้ แต่จะถูกกีดกันจากนิวเคลียส และจะถูกทำลายล้างลงเมื่อปะทะกับอิเล็กตรอน

เมื่อมีพันธะกับนิวเคลียส ความไม่เสถียรของนิวตรอนเดี่ยวจะถูกนิวเคลียสทำให้เสถียร ถ้าโปรตอนที่เพิ่มมากขึ้นทำให้เกิดปฏิกิริยากับโปรตอนตัวอื่น ๆ ในนิวเคลียสเอง แม้ว่านิวตรอนจะไม่เสถียร นิวตรอนก็ไม่จำเป็นต้องมีพันธะ สาเหตุนี้สามารถอธิบายได้ว่าทำไมโปรตอนเสถียรที่อยู่ในอวกาศจึงเปลี่ยนสภาพเป็นนิวตรอนเมื่อเกิดพันธะภายในนิวเคลียส

โครงสร้าง[แก้]

จากบทความที่เขียนขึ้นในปี ค.ศ. 2007 ที่แสดงผลการวิเคราะห์แบบจำลองอิสระได้สรุปว่า นิวตรอนมีโครงสร้าง 3 ชั้น ชั้นนอกและแก่นมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ ส่วนชั้นที่อยู่ระหว่างกลางเป็นประจุบวก [3] ลักษณะนี้สามารถอธิบายได้ว่าเพราะเหตุใดนิวตรอนจึงเกาะกลุ่มอยู่กับโปรตอน เนื่องจากชั้นนอกของนิวตรอนจะดึงดูดโปรตอนซึ่งเป็นบวกทางไฟฟ้านั่นเอง

สารประกอบนิวตรอน[แก้]

ไดนิวตรอนและเททรานิวตรอน[แก้]

ไดนิวตรอนเป็นอนุภาคสมมุติที่ประกอบไปด้วยนิวตรอน 2 ตัว และมีชีวิตอยู่ได้เพียงระยะเวลาสั้น ๆ ในปฏิกิริยานิวเคลียร์ เกิดจากฮีลิออน (นิวเคลียสเปลือยของฮีเลียม) ส่วนเททรานิวตรอนประกอบด้วยนิวตรอน 4 ตัว สมมุติขึ้นโดยทีมนักฟิสิกส์จากศูนย๋ปฏิบัติการ CNRS เพื่อศึกษาฟิสิกส์นิวเคลียร์ จากการสังเกตการสลายตัวของนิวเคลียสเบริลเลียม-14 แต่ได้รับความสนใจเพียงน้อยนิดเนื่องจากทฤษฎีปัจจุบันเห็นเพียงกลุ่มอนุภาคที่ไม่เสถียรเท่านั้น

นิวโตรเนียมและดาวนิวตรอน[แก้]

เมื่ออยู่ในภาวะที่ความดันและอุณหภูมิสูง อนุภาคนิวคลิออน (โปรตอน+นิวตรอน) และกลูออน จะหลอมรวมเป็นอะตอมของธาตุนิวโตรเนียม (Nt) ธาตุที่เบากว่าไฮโดรเจนซึ่งยังไม่ถูกค้นพบ แต่เชื่อว่าอยู่ภายในดาวนิวตรอน ที่มีส่วนประกอบหลักเป็นนิวตรอน และอยู่ในภาวะที่ความดันสูงและร้อนจัดเหมาะที่จะเกิดการหลอมตัวดังกล่าวได้

แอนตินิวตรอน[แก้]

แอนตินิวตรอนถูกค้นพบโดย บรู๊ซ คอร์ก ในปี ค.ศ. 1956 หนึ่งปีหลังจากการค้นพบแอนติโปรตอน โดยมีมวลต่างกันเพียง 9±5×10^{-5} กรัมเท่านั้น แอนตินิวตรอนมีโครงสร้างคล้ายกับนิวตรอน เพียงแต่เปลี่ยนจากควาร์กเป็นแอนติควาร์กเท่านั้น [2]

อ้างอิง[แก้]

หนังสืออ่านเพิ่มเติม[แก้]

  • Knoll, G. F. (2000) Radiation Detection and Measurement
  • Krane, K. S. (1998) Introductory Nuclear Physics
  • Squires, G. L. (1997) Introduction to the Theory of Thermal Neutron Scattering
  • Dewey, M. S., Gilliam, D. M., Nico, J. S., Snow, M. S., Wietfeldt, F. E. NIST Neutron Lifetime Experiment