นิวตรอน

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 ×10^1.67 กรัม ซึ่งเท่ากับโปรตอน คำว่า "นิวตรอน" มาจากภาษากรีก neutral ที่แปลว่า เป็นกลาง

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

การค้นพบ

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

นิวตรอนถูกค้นพบโดย เซอร์ เจมส์ แชดวิก (Sir James Chadwick) ที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ในปี ค.ศ. 1932 โดยแชดวิกได้ทำการทดลองโดยการยิงอนุภาคแอลฟาจากพอโลเนียมใส่แผ่นโบรอนบางๆ และรองรับอนุภาคด้วยเครื่องตรวจจับที่บรรจุแก๊สไนโตรเจนไว้ภายใน พบว่ามีอนุภาคหนึ่งหลุดมาและเป็นกลางทางไฟฟ้า จึงตั้งชื่อให้ว่า "นิวตรอน" โดยการทดลองของทอมสันและโกลด์สตีนที่ใช้หลอดรังสีแคโทดไม่สามารถตรวจพบนิวตรอนได้ เพราะนิวตรอนไม่มีปฏิกิริยากับขั้วแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้ในการทดลอง

คุณสมบัติ

ความเสถียรและการสลายให้อนุภาคบีตา

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" ดังสูตรตามนี้

n⁰
→
p⁺
+
e⁻
+
ν
_e

ทั้งนี้ นิวตรอนในนิวเคลียสที่ไม่เสถียรก็สามารถสลายตัวในลักษณะนี้ได้ อย่างไรก็ตาม โปรตอนก็สามารถสลายตัวกลับเป็นนิวตรอนได้เช่นกันผ่านกระบวนการกักอิเล็กตรอน หรือกระบวนการย้อนกลับของการสลายให้อนุภาคบีตา และให้โพซิตรอนกับอิเล็กตรอนนิวตริโนชนิดละ 1 ตัวเช่นกัน ดังนี้

p⁺
→
n⁰
+
e⁺
+
ν
_e

แต่ถ้าโปรตอนรวมตัวกับอิเล็กตรอน จะปลดปล่อยนิวตรอนและอิเล็กตรอนนิวตริโนชนิดละ 1 ตัว ดังนี้

p⁺
+
e⁻
→
n⁰
+
ν
_e

การกักโพซิตรอนด้วยนิวตรอนภายในนิวเคลียสที่มีนิวตรอนมากเกินไปสามารถเกิดขึ้นได้ แต่จะถูกกีดกันจากนิวเคลียส และจะถูกทำลายล้างลงเมื่อปะทะกับอิเล็กตรอน

เมื่อมีพันธะกับนิวเคลียส ความไม่เสถียรของนิวตรอนเดี่ยวจะถูกนิวเคลียสทำให้เสถียร ถ้าโปรตอนที่เพิ่มมากขึ้นทำให้เกิดปฏิกิริยากับโปรตอนตัวอื่นๆ ในนิวเคลียสเอง แม้ว่านิวตรอนจะไม่เสถียร นิวตรอนก็ไม่จำเป็นต้องมีพันธะ สาเหตุนี้สามารถอธิบายได้ว่าทำไมโปรตอนเสถียรที่อยู่ในอวกาศจึงเปลี่ยนสภาพเป็นนิวตรอนเมื่อเกิดพันธะภายในนิวเคลียส

โครงสร้าง

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

สารประกอบนิวตรอน

ไดนิวตรอนและเททรานิวตรอน

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

นิวโตรเนียมและดาวนิวตรอน

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

แอนตินิวตรอน

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

หนังสืออ่านเพิ่มเติม

• 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