Нейтрон в химии это: нейтрон — Химическая энциклопедия

Содержание

Число нейтронов в атоме. Изотопы — урок. Химия, 8–9 класс.

Число нейтронов в атоме

Мы знаем, что масса атома определяется массой ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов, относительные массы которых равны $1$. Масса ядра равна сумме масс протонов и нейтронов. Число протонов определяем по порядковому номеру элемента. Значит, число нейтронов в ядре можно найти, если от относительной атомной массы отнять порядковый номер.

Пример:

фтор — элемент № $9$. Его относительная атомная масса равна $19$.

В ядре атома фтора — $9$ протонов и $19$ $–$ $9$ $=$ $10$ нейтронов.

Рубидий — элемент № $37$. Его относительная атомная масса равна $85$.

В ядре атома рубидия — $37$ протонов и $85$ $–$ $37$ $=$ $48$ нейтронов.

Нуклиды

Вид атомов с определённым числом протонов и нейтронов в ядре называется нуклидом.

Нуклид обозначается следующим образом: внизу слева записывается число протонов $Z$ (порядковый номер), вверху слева указывается массовое число $A$ (сумма чисел протонов и нейтронов) — RZA, например: C612, Se3479.

Для обозначения нуклидов используют и другие способы записи:

углерод — $12$, C — $12$, C12;

селен — $79$, Se — $79$, Se79.

Изотопы

Атомы одного и того же химического элемента могут иметь разные массы. Существуют атомы водорода с массами $1$, $2$ и $3$, атомы хлора с массами $35$ и $37$ и т. д.

Разновидности атомов одного химического элемента, имеющие разные атомные массы, называют изотопами.

С учётом знаний о строении ядра это определение можно сформулировать по-другому.

Изотопы — разновидности атомов с одинаковым числом протонов в ядре (зарядом ядра), но разным числом нейтронов.

Значит, изотопы отличаются только числом нейтронов.

Протоны определяют свойства атома, то есть придают ему индивидуальность. А нейтроны не влияют на свойства атома, а отражаются на его массе. Поэтому все изотопы одного и того же элемента химически неотличимы.

Химический элемент — это вид атомов с определённым зарядом ядра.

Относительная атомная масса элемента

Большинство химических элементов существуют в виде смеси изотопов. Приведённая в Периодической таблице относительная атомная масса элемента — это средняя величина атомных масс всех его изотопов.

Пример:

определим относительную атомную массу хлора. $25$ % его атомов — это атомы с массой $37$, а $75$ % — с массой $35$. Найдём среднее значение:

Ar(Cl)=(37
·25+35
·75)100 $=$ 35,5.

Химические элементы, подготовка к ЕГЭ по химии

Химический элемент

Химический элемент — совокупность атомов с одним и тем же зарядом ядра, числом протонов в ядре и электронов
в электронной оболочке. Закономерную связь химических элементов отражает периодическая таблица Д.И. Менделеева.

Изучая подобную карточку химического элемента, можно узнать о нем многое:

Обозначение химического элемента

Русское наименование

Порядковый номер = заряд атома = число электронов = число протонов

Атомная масса

Распределение электронов по энергетическим уровням

Электронная конфигурация внешнего уровня

Надо заметить, что на экзамене часто из карточки элемента скрывают распределение электронов и конфигурацию внешнего
уровня. Тем не менее, если вы успешно освоили предыдущую тему, то для вас не составит труда написать электронную
конфигурацию атома зная его порядковый номер в таблице Д.И. Менделеева (номер уж точно не тронут!))

Протоны, нейтроны и электроны

Вы уже знаете, что порядковый номер элемента в периодической таблице Д.И. Менделеева равен числу протонов, а число протонов
равно числу электронов.

Для того чтобы найти число нейтронов в атоме алюминия, необходимо вычесть из атомной массы число протонов:

27 — 13 = 14

Получается, что в атоме алюминия 14 нейтронов. Посчитайте число нейтронов, электронов и протонов самостоятельно для атомов бериллия,
кислорода, меди. Решение вы найдете ниже.

Если вы поняли суть и научились считать протоны, нейтроны и электроны, самое время приступать к следующей теме.

Изотопы

Изотопы (греч. isos — одинаковый + topos — место) — общее название разновидностей одного и того же химического элемента,
имеющих одинаковый заряд ядра (число протонов), но разное число нейтронов.

Вероятно, вы не задумывались, но вся таблица Д.И. Менделеева и представленные в ней химические элементы — это самые распространенные
на земле изотопы.

Лучше всего объяснить, что такое изотопы наглядным примером. Широко известны три изотопа водорода: протий, дейтерий и тритий.

В таблице Д.И. Менделеева представлен самый распространенный из трех — протий. Он содержит 1 протон и 1 электрон, нейтроны отсутствуют. У
дейтерия 1 протон, 1 нейтрон и 1 электрон. У трития 1 протон, 2 нейтрона, 1 электрон.

Теперь очевидно, что изотопы — атомы одного и того же химического элемента, различающиеся числом нейтронов.

Рассмотрим пример с изотопами лития. Самостоятельно посчитайте количество нейтронов у каждого изотопа. Найдите тот, который
включен в таблицу Д.И. Менделеева.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение
(в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов
без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования,
обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Стабильность нейтрона в атомном ядре / Хабр

Факт, ставящий в тупик многих из тех, кто впервые изучает природу обычной материи – то, что в ядре любого атома тяжелее водорода содержатся как протоны, так и нейтроны, но при этом нейтроны распадаются (дезинтегрируются в другие частицы) в среднем за 15 минут! Как же могут ядра углерода, кислорода, азота, кремния быть настолько стабильными, если нейтроны, из которых они состоят, не могут выживать сами по себе?

Ответ на этот вопрос оказывается очень простым после того, как вы поймёте, как работает энергия: это чистая бухгалтерия. Но понять энергию вовсе не просто. Для начала нужно прочесть статью о видах энергии. А до этого необходимо ознакомиться со статьёй об энергии, импульсе и массе. Эти концепции нужно представлять перед тем, как понять ответ на заданный вопрос.

Если вы прочли статью об энергии взаимодействия, вы знаете, что атом водорода состоит из протона и электрона, которые, из-за отрицательной энергии связи, неспособны убежать друг от друга – они заперты внутри атома. Отрицательная энергия связи происходит из отрицательной энергии взаимодействия, частично сбалансированной положительной энергией движения электрона (и немного – протона). Энергия взаимодействия происходит из воздействия электрона на электрическое поле близ протона (и наоборот).

В этой статье я объясню, почему нейтрон стабилен в следующем по простоте ядре атома: дейтроне, ядре «тяжёлого водорода» или «дейтерия». Дейтрон состоит из одного нейтрона и одного протона – в принципе просто, и не слишком отличается от атома водорода с одним электроном и одним протоном. Поняв, почему нейтрон стабилен в дейтроне, вы поймёте основной принцип, по которому нейтроны могут быть стабильны внутри всех стабильных ядер. Суть в следующем: энергия взаимодействия протонов и нейтронов отрицательная, и достаточно большая, поэтому в некоторых ядрах распад нейтрона привёл бы к росту энергии системы (состоящей остатков ядра после его распада и всех испущенных при распаде частиц), что нарушило бы закон сохранения энергии. Поскольку энергия должна сохраняться, распад невозможен.

Не буду описывать взаимодействие нейтрона с протоном, поскольку за это отвечает сильное взаимодействие, гораздо более сложное, чем электрическое (и магнитное) взаимодействия между протоном и электроном, составляющими атом водорода. Частично эта сложность объясняется составным характером взаимодействия – это немного похоже на то, как электромагнитное взаимодействие может связывать два атома водорода в молекулу водорода, хотя оба атома электрически нейтральны. Но некоторые важные детали эта аналогия не охватывает. Ядерная физика – это отдельная тема.

Рис. 1

К счастью, нам эти сложности не нужны. Нам нужно знать, что эти силы создают отрицательную энергию взаимодействия для системы из протона, нейтрона и различных сложных полей, позволяющих им влиять друг на друга. В результате получается стабильный дейтрон. Так же, как атом водорода не может внезапно распасться на электрон и протон, дейтрон не может внезапно распасться на нейтрон и протон.

Это не означает, что дейтрон или атом водорода нельзя уничтожить. Можно «ионизировать» атом водорода (выбить электрон у протона), если добавить внешнюю энергию – в виде, допустим, достаточно энергичного фотона. Тот же метод можно использовать для разбивания дейтерия и выбивания нейтрона у протона. Но энергию для этого нужно получить вне системы; ни водород, ни дейтрон самостоятельно распадаться не будут.

Нейтрон может распадаться

Давайте вспомним необходимое (но не достаточное) условие для распада объекта – масса начального объекта должна превосходить сумму масс объектов, на которые он распадается. Откуда берётся это условие? Из закона сохранения энергии. Скоро мы увидим, как и почему (как обычно, под массой я понимаю «массу покоя»).

Рис. 2

Проверим, что это условие выполняется для нейтрона, который может распадаться на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад показан на рис 2; нейтрон спонтанно превращается в три эти частицы. Нейтрон и протон на самом деле больше по размеру, чем электрон и антинейтрино – хотя рисунок всё равно сделан не в масштабе. Диаметр нейтрона или протона составляет примерно одну миллиардную триллионной доли метра (в 100 000 раз меньше атома), а про диаметр электрона или нейтрино известно, что он как минимум ещё в 1000 раз меньше этого.

На рис. 3 изображена энергетическая бухгалтерия (см. рис. 1). До распада нейтрона энергия всей системы равна энергии массы (E = mc²) нейтрона. Масса нейтрона равна 0,939565… ГэВ/c².

Многоточие говорит о том, что это не точное значение, но пока нам не нужна большая точность. Значит, энергия массы нейтрона

0,939565… ГэВ/c²

После распада нейтрона какой будет энергия всей системы? Поскольку энергия сохраняется, а извне энергии не поступало, то энергия системы будет равна тому же самому — 0,939565… ГэВ!

Но как она распределится?

Во-первых, у нас не будет энергии взаимодействия. Это не очевидно, но очень важно. Когда протон, электрон и антинейтрино разлетаются, энергия их взаимодействия становится пренебрежимо малой.

Во-вторых, у каждой из частиц есть энергия массы. Сколько её там?

• Энергия массы протона – 0,938272… ГэВ.

• Энергия массы электрона – 0,000511… ГэВ.

• Энергией массы антинейтрино можно пренебречь, настолько она мала.

И это хорошо, поскольку масса нейтрино нам пока неизвестно. Мы знаем, что она, по крайней мере, гораздо меньше, чем 0,000001 ГэВ.

Итоговая масса-энергия получается равной

(0,938272… + 0,000511… + 0,000000…) ГэВ = 0,938783… ГэВ

Что меньше энергии массы нейтрона, с которой мы начали, на 0,000782… ГэВ. Пока что мы не видим, как она сохраняется. Энергия массы нейтрона не полностью превратилась в энергию массы протона, электрона и нейтрино. Излишки энергии на рис. 3 показаны жёлтым.

Рис. 3

Разницу можно восполнить при помощи энергии движения. Она всегда положительна. Нам нужно только распределить лишние 0,000782… ГэВ между движениями частиц так, чтобы сохранялся импульс системы (поверьте мне, это возможно). Тогда энергия будет сохранена, поскольку энергия массы нейтрона превратилась в энергию массы и энергию движения протона, электрона и нейтрино.

Я не указал точное количество энергии движения, отошедшее протону, электрону и нейтрино, поскольку в каждом из случаев распада нейтрона энергия будет распределяться по-разному, просто случайным образом (такова квантовая механика). Только общая энергия движения будет всегда одной и той же, 0,000782… ГэВ.

Дейтрон стабилен

Вернёмся к дейтрону. Общая энергия дейтрона, как и у атома водорода, состоит из положительной энергии массы двух его составляющих (протона и нейтрона), положительной энергии движения двух составляющих, и отрицательной энергии взаимодействия, с лихвой покрывающей энергию движения. Более того, как и для любой частицы или системы, масса дейтрона будет равной его общей энергии (точнее – общей энергии, которую вы измеряете, когда он не двигается относительно вас), делённой на с², квадрат скорости света. Соответственно, если дейтрон относительно вас покоится, на основе его измеренной массы, равной 1,875612… ГэВ/с², можно сказать, что его энергия равна

Энергия массы дейтрона = 1,875612… ГэВ =

• Энергия массы протона + энергия массы нейтрона,

• Энергия движения протона + энергия движения нейтрона,

• Энергия взаимодействия (отрицательная, и больше по модулю, чем энергия движения).

< энергия массы протона + энергия массы нейтрона

= 0,938272… ГэВ+ 0,939565… ГэВ = 1,877837… ГэВ

Поэтому энергия связи дейтрона равна

1,875612… ГэВ – 1,877837… ГэВ = -0,002225… ГэВ

Рис. 4

Отрицательная энергия связи означает, как и в случае с атомом водорода, что дейтрон не может просто развалиться на нейтрон и протон, как показано на рис. 4. Это нарушило бы сохранение энергии, утверждающее, что распадающаяся частица должна быть более массивной, чем частицы, на которые она распадается. Как показано на рис. 5, энергию никак не сохранишь. У нейтрона и протона больше энергии массы, чем у дейтрона, и нет никакого источника отрицательной энергии, способного погасить дефицит энергии, поскольку энергии взаимодействия между далеко разнесёнными протоном и нейтроном нет, а энергия движения отрицательной не бывает. Это значит, что процесс на рис. 4 произойти не может.

Рис. 5

Нейтрон внутри дейтрона не может распаться

Остался один шаг, и он, по сравнению с предыдущими, довольно простой. Вопрос в следующем: почему нейтрон не может распадаться внутри дейтрона?

Допустим, он распался: что останется? Тогда у нас будет два протона, электрон и антинейтрино; см. рис. 6. Два протона отталкиваются – у них положительный электрический заряд, и электрическая сила расталкивает их. Сильное ядерное взаимодействие, пытающееся притянуть их вместе, не такое сильное, как у нейтрона с протоном, и суммарное действие двух сил будет отталкивающим. В результате это взаимодействие будет расталкивать протоны. А электрон и антинейтрино тем временем также покинут место действия.

Рис. 6

Когда все четыре частицы будут далеко друг от друга (как грубо показано на рис. 6, но представьте, что они разлетелись ещё дальше), не будет никакой значительной энергии взаимодействия между ними. Энергия системы будет состоять только из суммы энергий масс частиц и энергий движения. Поскольку энергия движения всегда положительна, минимальная энергия, которую смогут иметь частицы, будет равной сумме их энергий масс. Но эта энергия больше, чем энергия массы дейтрона (рис. 7)! Даже энергия массы двух протонов, 1,876544… ГэВ уже больше энергии массы дейтрона. А дополнительные 0,000511 ГэВ только сыплют соль на рану.

Поэтому нейтрон внутри дейтрона не может распасться; энергия взаимодействия, удерживающая дейтрон, тянет его массу вниз – достаточно низко для того, чтобы распад нейтрона внутри дейтрона нарушал сохранение энергии!

Рис. 7

Другие атомные ядра

И так происходит со всеми стабильными ядрами в природе. Но не надо думать, что всегда, когда вы комбинируете нейтроны и протоны, в результате получается стабильное ядро! Стабильные ядра крайне редки.

Если вы возьмёте Z протонов и N нейтронов и попробуете сделать из них ядро, то для большей части вариантов Z и N у вас ничего не получится. Большинство таких ядер мгновенно распадутся, они вообще не сформируются. Грубо говоря, сила притяжения между Z протонами и N нейтронами сильнее всего тогда, когда Z примерно равно N. С другой стороны, протоны отталкиваются друг от друга из-за электромагнитного взаимодействия. Эта сила увеличивается при увеличении Z. Соревнование двух этих эффектов предполагает, что ядро скорее всего будет стабильным, когда Z немного меньше N; и чем больше Z и N, тем больше должна быть разница между Z и N. Это видно на рис. 8. Стабильны только ядра, отмеченные чёрным; они располагаются в том, что поэтически называют «долиной стабильности».

А что за ядра, обозначенные цветом? Оказывается, что существует довольно много ядер, которые всё-таки распадаются, но могут жить довольно долго. Часто мы зовём такие объекты «нестабильными», а те, что живут достаточно долго – «метастабильными». Использование слов зависит от контекста. Нейтрон живёт 15 минут. Есть ядра, живущие несколько миллисекунд, дней, десятилетий, тысячелетий и даже миллиардов лет. Эти ядра мы называем радиоактивными; это опасные последствия случаев с участием радиации или оружия, и инструменты, используемые в детекторах дыма и для борьбы с раком, в числе прочего.

Есть куча способов, которыми эти ядра могут распасться, но некоторые из них распадаются, превращая нейтрон в протон внутри ядра. Мы знаем об этом по увеличению заряда ядра и по тому, что из него вылетает электрон вместе с антинейтрино. Другие даже могут распадаться, превращая протон в нейтрон! Мы знаем об этом, потому что заряд ядра уменьшается, и из него вылетает позитрон (антиэлектрон). Подсчётами того, сколько сможет прожить определённое ядро и как оно распадётся, занимается очень сложная ядерная физика – здесь курс по ней я давать не буду (да я и не эксперт).

Рис. 8

Достаточно сказать, что отрицательная энергия взаимодействия частиц, скомбинированная с сохранением энергии, может менять всю игру, делая невозможными определённые процессы, возможные в обычных условиях – и наоборот.

НЕЙТРОННАЯ ФИЗИКА • Большая российская энциклопедия

НЕЙТРО́ННАЯ ФИ́ЗИКА, раздел физики, в котором изучаются структура вещества и фундам. свойства материи с использованием нейтронов, а также исследуются свойства самих нейтронов.

История развития

Н. ф. возникла в 1932, когда Дж. Чедвик доказал существование новой нейтральной элементарной частицы, названной нейтроном. Уточнение массы нейтрона показало, что нейтрон действительно является нейтральной элементарной частицей, а не связанным состоянием протона и электрона, как считалось ранее. Тем самым было разрушено представление о том, что заряд есть неотъемлемое свойство элементарных частиц.

В 1932 Д. Д. Иваненко (СССР), Дж. Чедвик и В. Гейзенберг высказали гипотезу о том, что атомные ядра состоят из нейтронов и протонов. Гейзенберг предположил, что протон и нейтрон – разные состояния одной частицы (нуклона), и ввёл для этой частицы новую характеристику – изотопический спин, две проекции которого соответствуют протону и нейтрону. В сильных взаимодействиях протон и нейтрон неразличимы. Обобщение идеи такой изотопической инвариантности лежит в основе совр. стандартной модели строения элементарных частиц и их взаимодействий.

Первую попытку описания сильного взаимодействия между нуклонами в ядре предприняли И. Е. Тамм и, независимо от него, Д. Д. Иваненко в 1934. Они построили теорию, согласно которой нуклоны взаимодействуют путём обмена частицами конечной массы. Опираясь на их работы, Х. Юкава в 1935 предсказал существование и свойства новой частицы (мезона), ответственной за сильные взаимодействия. В 1947 такие частицы ($π$-мезоны) были обнаружены в космич. лучах.

В 1934 рос. физики С. А. Альтшулер и И. Е. Тамм, анализируя величины магнитных моментов ядер, пришли к выводу, что нейтрон, будучи электрически нейтральной частицей, тем не менее обладает магнитным моментом. В том же году нем. физики О. Штерн и И. Эстерман независимо пришли к аналогичному выводу, измерив магнитные моменты дейтрона и протона. Оказалось также, что магнитный момент протона вдвое больше, чем предсказывала теория. Результатом этих исследований стало предположение о том, что нейтрон и протон не «элементарны». Ныне установлено, что они состоят из кварков.

В 1934 Э. Ферми выполнил первые эксперим. работы, посвящённые взаимодействию нейтронов с веществом. В частности, он показал, что нейтроны, в силу их электрич. нейтральности, являются наиболее эффективным средством получения радиоактивных элементов, в т. ч. трансурановых. Кроме того, группой под рук. Ферми было открыто замедление нейтронов, а в 1936 – их селективное поглощение разл. нуклидами. Эти работы положили начало регулярным исследованиям по нейтронной физике.

В 1936 амер. физики Д. Митчелл и П. Пауэрс уверенно наблюдали дифракцию нейтронов. Дальнейшее развитие этих исследований привело к возникновению нейтронной оптики, созданию новых мощных методов исследования строения ядра, атомной и магнитной структур вещества, а также его магнитной и атомной динамики. В 1939 О. Ган и Ф. Штрассман, Л. Майтнер и О. Фриш открыли деление ядер под воздействием нейтронов. Важность этого открытия была оценена, когда стала понятной возможность осуществления ядерной цепной реакции с участием нейтронов.

В СССР в кон. 1938 И. В. Курчатов инициировал исследования по Н. ф., в результате которых его сотрудники Г. Н. Флёров и Л. И. Русинов, независимо от зарубежных исследователей, обнаружили испускание нейтронов при делении ядер урана. В 1939 Э. Ферми и Курчатов независимо пришли к выводу о возможности осуществления ядерной цепной реакции при превышении числа вновь образующихся нейтронов над числом поглощённых. В 1942 в США Ферми создал первый ядерный реактор, в котором осуществлялась управляемая цепная реакция. Также в 1940-х гг. были построены первые исследоват. ядерные реакторы, в которых удалось получить интенсивные пучки нейтронов; это дало существенный толчок развитию нейтронной физики.

В 1948 амер. учёные Э. Уоллан (Воллан), К. Шалл и М. Марни, используя пучок нейтронов от ядерного реактора, получили первую лауэграмму, зарегистрировавшую дифракцию нейтронов на монокристалле NaCl. В том же году Уоллан и Шалл создали первый двухосный дифрактометр для наблюдения дифракции нейтронов на поликристаллах, что положило начало новым нейтрон-дифракционным методам исследования атомной и магнитной структур вещества. В 1948–1951 А. Снелл и Л. Миллер (США), Дж. Робсон (Канада) и П. Е. Спивак (СССР) независимо открыли бета-распад нейтрона (хотя первые предположения об этом распаде были высказаны ещё в 1934 Ф. Жолио-Кюри, см. в ст. Жолио-Кюри). В 1952 Б. Брокхауз с сотрудниками создали первый в мире трёхосный нейтронный спектрометр, на котором впервые наблюдали неупругое рассеяние нейтронов в ванадии, лёгкой и тяжёлой воде, а также в парамагнетиках (с возбуждением колебаний атомов и их спинов в веществе).

В СССР в сер. 1950-х гг. началось активное строительство пучковых исследоват. ядерных реакторов для получения интенсивных пучков нейтронов. В 1959 Я. Б. Зельдович высказал предположение о возможности удержания нейтронов малых энергий (ультрахолодных нейтронов) внутри сосудов (напр., из меди, бериллия), стенки которых обеспечивают полное внутр. (зеркальное) отражение нейтронов, а также о возможности использования подобных сосудов для измерения времени жизни свободного нейтрона. Это предположение было экспериментально доказано в 1968.

В 1960 В. В. Владимирский разработал магнитные «зеркала», а также магнитные «бутылки» для хранения ультрахолодных нейтронов. Такая «бутылка» из постоянных магнитов была впервые создана в Петербургском институте ядерной физики (ПИЯФ) в 2005. Ныне подобные «сосуды» применяются для измерения времени жизни нейтрона. Так, в 2011 в ПИЯФ было получено новое среднемировое значение времени жизни нейтрона. Этот результат устранил расхождение эксперим. данных со стандартной моделью, а также позволил уточнить наши представления о Вселенной, приблизив теоретич. предсказания к наблюдательным астрономич. данным.

На нач. 21 в. работы по Н. ф. сконцентрированы в крупнейших мировых науч. центрах, где размещены интенсивные нейтронные источники. Мировым лидером нейтронных исследований является Междунар. ин-т Лауэ – Ланжевена (Гренобль, Франция), в котором функционирует высокопоточный исследоват. реактор, оснащённый совр. инструментами для проведения фундам. и прикладных исследований. В России крупными центрами, ведущими исследования по Н. ф., являются ПИЯФ, Объединённый институт ядерных исследований, Курчатовский институт и др. В ПИЯФ построен высокопоточный реактор, по своим расчётным параметрам не уступающий реактору в Гренобле, а по некоторым характеристикам и превосходящий его. В 2011 состоялся физич. пуск реактора на миним. мощности.

Изучение фундаментальных свойств нейтрона

Эта область Н. ф. даёт ключ к пониманию структуры элементарных частиц, механизма их взаимодействия, а также процессов, происходящих в масштабах Вселенной.

Одним из наиболее прецизионных экспериментов в Н. ф. является поиск и измерение электрич. дипольного момента (ЭДМ) нейтрона. Данные о том, что величина ЭДМ нейтрона не превышает $3·10^{–28}\:e\!·м$ (где $e$ – элементарный электрич. заряд), позволили отвергнуть ряд теорий, объясняющих нарушение $CP$-симметрии. Такая величина ЭДМ соответствует двум элементарным зарядам противоположного знака, смещённым относительно друг друга на расстояние $D= 3·10^{–28}$ м, т. е. если нейтрон представить в виде шара радиусом $R≈10^{–15}$ м, то $D/R≈ 3·10^{–13}$. Подобная точность соответствует определению, напр., радиуса Земли с точностью до 2 мкм. Получение всё более точной верхней оценки величины ЭДМ исключительно важно для проверки новых теорий, объединяющих фундам. физич. взаимодействия (т. н. теорий Великого объединения и суперсимметрии), а также для понимания барионной асимметрии Вселенной.

Поиск нейтрон-антинейтронных осцилляций (периодич. превращения нейтрона в антинейтрон и обратно) также важен для проверки теорий, объясняющих барионную асимметрию Вселенной. В этих теориях, как показал А. Д. Сахаров, должна нарушаться не только $CP$-симметрия, но и закон сохранения барионного заряда, что, в свою очередь, приводит к возможности процессов распада протона и превращения нейтрона в антинейтрон.

Последнее измерение времени жизни свободного нейтрона и корреляционных констант его $β$-распада позволило подтвердить стандартную модель (соотношение унитарности), уточнить величину барионной асимметрии Вселенной и распространённость в природе лёгких химич. элементов (дейтерия, гелия, лития и др.), образовавшихся в процессе первичного нуклеосинтеза.

Ведётся также поиск электрич. заряда нейтрона и исследование его гравитац. свойств. Отличие заряда нейтрона от нуля могло бы свидетельствовать в пользу суперсимметричной струн теории. По результатам измерений установлено, что заряд нейтрона может быть отличен от нуля не менее чем в 21 знаке (в единицах элементарного заряда).

Нейтроны в ядерной физике

Быстрые нейтроны могут испытывать неупругое рассеяние на ядрах, отдавая часть своей энергии на возбуждение ядра и вызывая ядерные реакции с испусканием нейтронов, протонов и $α$-частиц. Исследование нейтронных спектров позволяет определить величину и свойства взаимодействия между составляющими ядро нуклонами.

Медленные нейтроны могут упруго рассеиваться на ядрах и также вызывать ядерные реакции. К таким реакциям относится захват нейтрона ядром, сопровождающийся вылетом из ядра одного или нескольких $γ$-квантов. Именно в таких реакциях было обнаружено нарушение чётности в сильных взаимодействиях. Этот результат был первым свидетельством в пользу универсальности слабых взаимодействий.

Некоторые реакции захвата нейтрона ядром используются для защиты от нейтронного излучения, для регистрации нейтронов в нейтронных детекторах, а также, напр., для пром. получения трития. Исследование деления тяжёлых ядер ($\ce{U, Th, Pu}$ и др.) под действием медленных нейтронов позволяет изучить динамику деления, глубже понять строение тяжёлых ядер и влияние слабых взаимодействий на процесс деления.

Нейтроны в физике конденсированного состояния вещества

Уникальные свойства нейтронного излучения (электронейтральность, наличие магнитного момента и др.) делают его универсальным инструментом для исследования конденсиров. сред. Поэтому методы Н. ф. находят применение в физике, химии, биологии, геологии, материаловедении, медицине, фармацевтике, пром-сти, энергетике и др. отраслях.

Взаимодействуя с веществом, нейтроны могут испытывать упругое и неупругое рассеяние. Для изучения свойств вещества методами неупругого рассеяния нейтронов применяют нейтронные спектрометры (см. в ст. Нейтронная спектроскопия). Поскольку энергия тепловых нейтронов имеет тот же порядок, что и энергия элементарных возбуждений в веществе, величина изменения энергии нейтрона при неупругом рассеянии содержит информацию о динамике и взаимодействии атомов среды, колебаниях молекул и магнитных моментов, решёточных и магнитных модах, критич. флуктуациях и т. д.

Когерентное упругое рассеяние нейтронов на атомах кристаллич. решётки приводит к дифракции нейтронов, анализ которой позволяет с высокой точностью определять положения атомов в кристаллах. На установках малоуглового рассеяния нейтронов исследуют биологич. структуры и наноструктуры с линейными размерами рассеивающих объектов 10^–9–10^–6 м. В качестве таких установок могут использоваться также рефлектометры и нейтронные интерферометры (см. в ст. Нейтронная интерферометрия). Нейтроны (в отличие от видимого и рентгеновского излучений) взаимодействуют с атомными ядрами, а не с электронными оболочками атомов, что позволяет с высокой точностью различать нуклиды, близко расположенные в периодич. системе химич. элементов. Особенно это относится к лёгким элементам ($\ce{H,O}$ и др.), положение которых в структуре часто определяет свойства материала. Идентификация этих элементов в веществах, содержащих тяжёлые элементы, при помощи рентгеновского излучения и гамма-излучения почти невозможна. Методам Н. ф. доступно изучение даже изотопного состава вещества, а также магнитных структур и спиновой динамики.

Что такое нейтрон? Physics and Chemistry Definition

Нейтрон — это нейтральная субатомная частица, находящаяся в ядре атома.

Нейтрон — это субатомная частица с массой 1 и зарядом 0. Нейтроны находятся вместе с протонами в атомном ядре. В то время как количество протонов в атоме определяет его элемент, количество нейтронов определяет его изотоп.

Хотя нейтрон имеет чистый нейтральный электрический заряд, он состоит из заряженных компонентов, которые нейтрализуют друг друга по отношению к заряду.Каждый нейтрон представляет собой тип субатомной частицы, называемой барионом, который состоит из 1 верхнего кварка и 2 нижних кварков.

Существование нейтрона было предложено Эрнестом Резерфордом в 1920 году. Он был открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 году, что принесло ему Нобелевскую премию по физике в 1935 году. Чедвик и его докторант Морис Голдхабер точно измерили массу нейтрона в 1935 году.

Neutron Facts

Ядерное деление и ядерный синтез — это две ядерные реакции, которые выделяют большое количество нейтронов.
Атомы каждого элемента содержат нейтроны, кроме наиболее распространенного изотопа водорода. Изотоп водорода под названием протий («нормальный» водород) состоит из протона и электрона, но не из нейтрона. Атом дейтерия содержит один протон, а атом трития содержит два нейтрона.
Масса протона и нейтрона сопоставима, особенно по сравнению с гораздо более легким электроном, но нейтрон немного массивнее протона. Нейтрон имеет массу 1,67492729 x 10 ^-27 кг.
Нейтрон считается фермионом, потому что его спин равен 1/2.
Нейтроны почти всегда находятся внутри атомов. Хотя из ядра можно выбрасывать нейтроны, свободные частицы быстро реагируют с другими атомами. Свободный нейтрон имеет время жизни около 15 минут.
Свободные нейтроны считаются формой ионизирующего излучения.

Ссылки

Бирн, Джеймс (2011). Нейтроны, ядра и материя: исследование физики медленных нейтронов .Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 0486482383.
Chadwick, J .; Гольдхабер, М. (1934). «Ядерный фотоэффект: разрушение дипломатии гамма-лучами». Природа . 134 (3381): 237–238. DOI: 10.1038 / 134237a0

Discovery, Charge, Mass, Properties и Applications

- БЕСПЛАТНАЯ ЗАПИСЬ КЛАСС
- КОНКУРСНЫЕ ЭКЗАМЕНА
  BNAT
  Классы
  Класс 1-3
  Класс 4-5
  Класс 6-10
  Класс 110003 CBSE
  Книги NCERT
  Книги NCERT для класса 5
  Книги NCERT, класс 6
  Книги NCERT для класса 7
  Книги NCERT для класса 8
  Книги NCERT для класса 9
  Книги NCERT для класса 10
  NCERT Книги для класса 11
  NCERT Книги для класса 12
  NCERT Exemplar
  NCERT Exemplar Class 8
  NCERT Exemplar Class 9
  NCERT Exemplar Class 10
  NCERT Exemplar Class 11
  9plar
  RS Aggarwal
  RS Aggarwal Решения класса 12
  RS Aggarwal Class 11 Solutions
  RS Aggarwal Решения класса 10
  Решения RS Aggarwal класса 9
  Решения RS Aggarwal класса 8
  Решения RS Aggarwal класса 7
  Решения RS Aggarwal класса 6
  RD Sharma
  RD Sharma Class 6 Решения
  RD Sharma Class 7 Решения
  Решения RD Sharma класса 8
  Решения RD Sharma класса 9
  Решения RD Sharma класса 10
  Решения RD Sharma класса 11
  Решения RD Sharma Class 12
  PHYSICS
  Механика
  Оптика
  Термодинамика
  Электромагнетизм
  ХИМИЯ
  Органическая химия
  Неорганическая химия
  Периодическая таблица
  MATHS
  Статистика
  9000 Pro Числа
  Числа
  9000 Pro Числа Тр Игонометрические функции
  Взаимосвязи и функции
  Последовательности и серии
  Таблицы умножения
  Детерминанты и матрицы
  Прибыль и убытки
  Полиномиальные уравнения
  Деление фракций
  Microology
  0003000
  FORMULAS
  Математические формулы
  Алгебраные формулы
  Тригонометрические формулы
  Геометрические формулы
  КАЛЬКУЛЯТОРЫ
  Математические калькуляторы
  0003000
  000 CALCULATORS
  000
  000 Калькуляторы по химии Образцы документов для класса 6
  Образцы документов CBSE для класса 7
  Образцы документов CBSE для класса 8
  Образцы документов CBSE для класса 9
  Образцы документов CBSE для класса 10
  Образцы документов CBSE для класса 1 1
  Образцы документов CBSE для класса 12
  Вопросники предыдущего года CBSE
  Вопросники предыдущего года CBSE, класс 10
  Вопросники предыдущего года CBSE, класс 12
  HC Verma Solutions
  HC Verma Solutions Класс 11 Физика
  HC Verma Solutions Класс 12 Физика
  Решения Лакмира Сингха
  Решения Лахмира Сингха класса 9
  Решения Лахмира Сингха класса 10
  Решения Лакмира Сингха класса 8
  9000 Класс
  9000BSE 9000 Примечания3 2 6 Примечания CBSE
  Примечания CBSE класса 7
  Примечания
  Примечания CBSE класса 8
  Примечания CBSE класса 9
  Примечания CBSE класса 10
  Примечания CBSE класса 11
  Класс 12 Примечания CBSE
  Примечания к редакции 9000 CBSE 9000 Примечания к редакции класса 9
  CBSE Примечания к редакции класса 10
  CBSE Примечания к редакции класса 11
  Примечания к редакции класса 12 CBSE
  Дополнительные вопросы CBSE
  Дополнительные вопросы по математике класса 8 CBSE
  Дополнительные вопросы по науке 8 класса CBSE
  Дополнительные вопросы по математике класса 9 CBSE
  Дополнительные вопросы по математике класса 9 CBSE Вопросы
  CBSE Class 10 Дополнительные вопросы по математике
  CBSE Class 10 Science Extra questions
  CBSE Class
  Class 3
  Class 4
  Class 5
  Class 6
  Class 7
  Class 8 Класс 9
  Класс 10
  Класс 11
  Класс 12
  Учебные решения
- Решения NCERT
  Решения NCERT для класса 11
  Решения NCERT для класса 11 по физике
  Решения NCERT для класса 11 Химия
  Решения NCERT для биологии класса 11
  Решение NCERT s Для класса 11 по математике
  NCERT Solutions Class 11 Accountancy
  NCERT Solutions Class 11 Business Studies
  NCERT Solutions Class 11 Economics
  NCERT Solutions Class 11 Statistics
  NCERT Solutions Class 11 Commerce
  NCERT Solutions for Class 12
  Решения NCERT для физики класса 12
  Решения NCERT для химии класса 12
  Решения NCERT для биологии класса 12
  Решения NCERT для математики класса 12
  Решения NCERT, класс 12, бухгалтерский учет
  Решения NCERT, класс 12, бизнес-исследования
  NCERT Solutions Class 12 Economics
  NCERT Solutions Class 12 Accountancy Part 1
  NCERT Solutions Class 12 Accountancy Part 2
  NCERT Solutions Class 12 Micro-Economics
  NCERT Solutions Class 12 Commerce
  NCERT Solutions Class 12 Macro-Economics
  NCERT Solut Ионы Для класса 4
  Решения NCERT для математики класса 4
  Решения NCERT для класса 4 EVS
  Решения NCERT для класса 5
  Решения NCERT для математики класса 5
  Решения NCERT для класса 5 EVS
  Решения NCERT для класса 6
  Решения NCERT для математики класса 6
  Решения NCERT для науки класса 6
  Решения NCERT для класса 6 по социальным наукам
  Решения NCERT для класса 6 Английский язык
  Решения NCERT для класса 7
  Решения NCERT для математики класса 7
  Решения NCERT для науки класса 7
  Решения NCERT для социальных наук класса 7
  Решения NCERT для класса 7 Английский язык
  Решения NCERT для класса 8
  Решения NCERT для математики класса 8
  Решения NCERT для науки 8 класса
  Решения NCERT для социальных наук 8 класса ce
  Решения NCERT для класса 8 Английский
  Решения NCERT для класса 9
  Решения NCERT для класса 9 по социальным наукам
  Решения NCERT для математики класса 9
  Решения NCERT для математики класса 9 Глава 1
  Решения NCERT для математики класса 9, глава 2
  Решения NCERT
  для математики класса 9, глава 3
  Решения NCERT для математики класса 9, глава 4
  Решения NCERT для математики класса 9, глава 5
  Решения NCERT
  для математики класса 9, глава 6
  Решения NCERT для математики класса 9 Глава 7
  Решения NCERT
  для математики класса 9 Глава 8
  Решения NCERT для математики класса 9 Глава 9
  Решения NCERT для математики класса 9 Глава 10
  Решения NCERT
  для математики класса 9 Глава 11
  Решения
  NCERT для математики класса 9 Глава 12
  Решения NCERT
  для математики класса 9 Глава 13
  NCER Решения T для математики класса 9 Глава 14
  Решения NCERT для математики класса 9 Глава 15
  Решения NCERT для науки класса 9
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 1
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 2
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 3
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 4
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 5
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 6
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 7
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 8
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 9
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 10
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 12
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 11
  Решения NCERT для науки класса 9 Глава 13
  Решения NCERT
  для науки класса 9 Глава 14
  Решения NCERT для класса 9 по науке Глава 15
  Решения NCERT для класса 10
  Решения NCERT для класса 10 по социальным наукам
  Решения NCERT для математики класса 10
  Решения NCERT для класса 10 по математике Глава 1
  Решения NCERT для математики класса 10, глава 2
  Решения NCERT для математики класса 10, глава 3
  Решения NCERT для математики класса 10, глава 4
  Решения NCERT для математики класса 10, глава 5
  Решения NCERT для математики класса 10, глава 6
  Решения NCERT для математики класса 10, глава 7
  Решения NCERT для математики класса 10, глава 8
  Решения NCERT для математики класса 10, глава 9
  Решения NCERT для математики класса 10, глава 10
  Решения NCERT для математики класса 10 Глава 11
  Решения NCERT для математики класса 10 Глава 12
  Решения NCERT для математики класса 10 Глава ter 13
  Решения NCERT для математики класса 10 Глава 14
  Решения NCERT для математики класса 10 Глава 15
  Решения NCERT для науки класса 10
  Решения NCERT для класса 10 науки Глава 1
  Решения NCERT для класса 10 Наука, глава 2
  Решения NCERT для класса 10, глава 3
  Решения NCERT для класса 10, глава 4
  Решения NCERT для класса 10, глава 5
  Решения NCERT для класса 10, глава 6
  Решения NCERT для класса 10 Наука, глава 7
  Решения NCERT для класса 10, глава 8,
  Решения NCERT для класса 10, глава 9
  Решения NCERT для класса 10, глава 10
  Решения NCERT для класса 10, глава 11
  Решения NCERT для класса 10 Наука Глава 12
  Решения NCERT для класса 10 Наука Глава 13
  NCERT S Решения для класса 10 по науке Глава 14
  Решения NCERT для класса 10 по науке Глава 15
  Решения NCERT для класса 10 по науке Глава 16
  Программа NCERT
  NCERT
- Commerce
  Class 11 Commerce Syllabus
  Учебный план класса 11
  Учебный план класса 11
  Учебный план экономического факультета 11
  Учебный план по коммерции класса 12
  Учебный план класса 12
  Учебный план класса 12
  Учебный план
  Класс 12 Образцы документов для торговли
  Образцы документов для предприятий класса 11
  Образцы документов для коммерческих предприятий класса 12
  TS Grewal Solutions
  TS Grewal Solutions Class 12 Accountancy
  TS Grewal Solutions Class 11 Accountancy
  Отчет о движении денежных средств 9 0004
  Что такое предпринимательство
  Защита потребителей
  Что такое основные средства
  Что такое баланс
  Что такое фискальный дефицит
  Что такое акции
  Разница между продажами и маркетингом
  03
  Образцы документов ICSE
  Вопросы ICSE
  ML Aggarwal Solutions
  ML Aggarwal Solutions Class 10 Maths
  ML Aggarwal Solutions Class 9 Maths
  ML Aggarwal Solutions Class 8 Maths
  ML Aggarwal Solutions Class 7 Maths Решения Математика класса 6
  Решения Селины
  Решения Селины для класса 8
  Решения Селины для класса 10
  Решение Селины для класса 9
  Решения Фрэнка
  Решения Фрэнка для математики класса 10
  Франк Решения для математики 9 класса
  9000 4
  ICSE Class
  ICSE Class 6
  ICSE Class 7
  ICSE Class 8
  ICSE Class 9
  ICSE Class 10
  ISC Class 11
  ISC Class 12
- IC
- JEE4
- Образец статьи JEE
- Вопросник JEE
- Биномиальная теорема
- Статьи JEE
- Квадратное уравнение
NEET
Программа BYJU NEET
NEET 2020
NEET Eligibility
NEET Eligibility
NEET Eligibility 2020 Подготовка
NEET Syllabus
Support
Разрешение жалоб
Служба поддержки
Центр поддержки
Государственные советы
GSEB
GSEB Syllabus
GSEB
Образец статьи
003 GSEB Books
MSBSHSE
MSBSHSE Syllabus
MSBSHSE Учебники
MSBSHSE Образцы статей
MSBSHSE Вопросники
AP Board
AP Board
9000 AP Board
9000 AP Board
9000
AP 2 Year Syllabus
MP Board
MP Board Syllabus
MP Board Образцы документов
MP Board Учебники
Assam Board
Assam Board Syllabus
Assam Board
Assam Board
Assam Board Документы
BSEB
Bihar Board Syllabus
Bihar Board Учебники
Bihar Board Question Papers
Bihar Board Model Papers
BSE Odisha
Odisha Board
Odisha Board
Odisha Board 9000
ПСЕБ 9 0002
PSEB Syllabus
PSEB Учебники
PSEB Вопросы и ответы
RBSE
Rajasthan Board Syllabus
RBSE Учебники
RBSE
000 RBSE
000 HPOSE
000 HPOSE
000
000 HPOSE
000 HPOSE
000
000
000 HPOSE
000 HPOSE
000
000 Контрольные документы
JKBOSE
JKBOSE Syllabus
JKBOSE Образцы документов
JKBOSE Образец экзамена
TN Board
TN Board Syllabus
9000 Papers 9000 TN Board Syllabus
9000 Книги
JAC
Программа JAC
Учебники JAC
Вопросы JAC
Telangana Board
Telangana Board Syllabus
Telangana Board Textbook
Telangana Board
Учебник
Telangana Board
KSEEB
KSEEB Syllabus
KSEEB Model Question Papers
KBPE
KBPE Syllabus
Учебники KBPE
KBPE
0
9000 UPMS Board UPMS
Документы с вопросами UP Board

.
7.5: Дифракция нейтронов — Chemistry LibreTexts
Первый эксперимент по дифракции нейтронов был проведен в 1945 году Эрнестом О. Волланом (рис. \ (\ PageIndex {1} \)) с использованием графитового реактора в Ок-Ридже. Вместе с Клиффордом Шаллом (рис. \ (\ PageIndex {1} \)) они изложили принципы этой техники. Однако идея о том, что нейтроны будут дифрагировать, как рентгеновские лучи, была впервые предложена Даной Митчелл и Филипом Пауэрсом. Они предположили, что нейтроны имеют волновую структуру, что объясняется уравнением де Бройля, \ ref {1}, где λ — длина волны источника, обычно измеряемая в Å, h — постоянная Планка, v — скорость нейтрона. , и, наконец, m представляет собой массу нейтрона.
\ [\ lambda \ = \ h / mv \ label {1} \]
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \) Американские физики Эрнест Воллан (1902–1984) и (стоит) Клиффорд Шулл (1915–2001).
Подавляющее большинство материалов, исследуемых дифракционными методами, состоят из кристаллов. Рентгеновские лучи, где первый тип источника испытывался с кристаллами для определения их структурных характеристик. Кристаллы считаются совершенными структурами, хотя некоторые из них имеют дефекты в своей структуре. Кристаллы состоят из атомов, ионов или молекул, которые расположены в однородном повторяющемся узоре.Основная концепция кристаллов состоит в том, что они состоят из массива точек, которые называются точками решетки, и мотива, который представляет собой часть тела кристалла. Кристаллы состоят из серии элементарных ячеек. Элементарная ячейка — это повторяющаяся часть кристалла. Обычно каждую элементарную ячейку окружают еще восемь элементарных ячеек. Элементарные ячейки можно отнести к категории примитивных, которые имеют только одну точку решетки. Это означает, что элементарная ячейка будет иметь точки решетки только в углах ячейки.Эта точка будет использоваться совместно с восемью другими элементарными ячейками. В то время как в непримитивной ячейке также будут точки в углах ячейки, но, кроме того, будут точки решетки на гранях или внутри ячейки, которые аналогичным образом будут использоваться другими ячейками. Единственная известная примитивная ячейка — это простая кристаллическая система, а для непримитивных ячеек известны гранецентрированные кубические, базовые центрированные кубические и объемноцентрированные кубические.
Кристаллы можно разделить на категории в зависимости от расположения узлов решетки; это создаст разные типы фигур.Известно семь кристаллических систем: кубическая, тетрагональная, орторомбическая, ромбоэдрическая, гексагональная, моноклинная и триклинная. Все они имеют разные углы, а оси в других одинаковы или разные. Каждый из этих типов систем имеет различную решетку Браве.
Закон Брэгга
Закон Брэгга был впервые получен физиком сэром У. Брэгга (Рисунок \ (\ PageIndex {2} \)) и его сына В.Л. Брэгга (Рисунок \ (\ PageIndex {3} \)) в 1913 году.
Рисунок \ (\ PageIndex {2} \) Британский физик, химик, математик и активный спортсмен сэр Уильям Х.Брэгг (1862 — 1942). Рисунок \ (\ PageIndex {3} \) Британский физик австралийского происхождения Уильям Л. Брэгг (1890 — 1971).
Он использовался для определения расстояния между плоскостями и углов, образованных между этими плоскостями и падающим лучом, который подавался на исследуемый кристалл. Сильно рассеянные рентгеновские лучи образуются, когда рентгеновские лучи с заданной длиной волны направляются на кристалл. Эти рассеянные рентгеновские лучи будут конструктивно интерферировать из-за равенства различий между длиной пути и целым числом длины волны.Поскольку кристаллы имеют повторяющиеся узоры, дифракцию можно увидеть в терминах отражения от плоскостей кристаллов. Падающий луч, дифрагированный луч и нормальная к дифракции плоскость должны лежать в одной геометрической плоскости. Угол, который образует падающий луч при попадании в плоскость кристалла, называется 2θ. На рисунке \ (\ PageIndex {4} \) показано схематическое изображение того, как падающий луч попадает в плоскость кристалла и отражается под тем же углом 2θ, на который попадает падающий луч.Закон Брэгга выражается математически: \ ref {2}, где n = целочисленный порядок отражения, λ = длина волны, d = расстояние между плоскостями.
Рисунок \ (\ PageIndex {4} \) Конструкция закона Брэгга
\ [n \ lambda \ = \ 2d \ sin \ theta \ label {2} \]
Закон Брэгга важен для определения структуры неизвестного кристалла. Обычно длина волны известна, и угол падающего луча можно измерить. Имея эти два известных значения, можно получить расстояние между плоскостями слоя атомов или ионов.Все собранные отражения можно использовать для определения структуры неизвестного кристаллического материала.
Закон Брэгга действует аналогично дифракции нейтронов. Используется то же соотношение, с той лишь разницей, что вместо использования рентгеновских лучей в качестве источника исследуются нейтроны, которые выбрасываются и попадают в кристалл.
Дифракция нейтронов
Нейтроны были изучены для определения кристаллических структур. Изучение материалов с помощью нейтронного излучения имеет много преимуществ по сравнению с обычно используемыми методами, такими как рентгеновские лучи и электроны.Нейтроны рассеиваются ядрами атомов, а не рентгеновскими лучами, которые рассеиваются электронами атомов. Это порождает несколько различий между ними, например, что рассеяние рентгеновских лучей сильно зависит от атомного номера атомов, тогда как нейтроны зависят от свойств ядра. Это позволяет более точно идентифицировать неизвестный исследуемый образец, если используется источник нейтронов. Ядра каждого атома и даже изотопов одного и того же элемента совершенно разные.Все они имеют разные характеристики, что делает нейтронную дифракцию отличным методом для идентификации материалов, имеющих схожий элементный состав. Напротив, рентгеновские лучи не дадут точного решения, если у материалов известны схожие характеристики. Поскольку дифракция для соседних атомов будет аналогичной, необходимо провести дальнейший анализ, чтобы определить структуру неизвестного. Кроме того, если образец содержит легкие элементы, такие как водород, практически невозможно определить точное местоположение каждого из них только с помощью дифракции рентгеновских лучей или любого другого метода.Дифракция нейтронов может определить количество световых элементов и их точное положение в структуре.
Изобретатели нейтронов
нейтронов были впервые обнаружены Джеймсом Чедвиком в 1932 году, рис. \ (\ PageIndex {5} \), когда он показал, что в излучении, которое он использовал, были незаряженные частицы. Эти частицы имели ту же массу, что и протоны, но не обладали такими же характеристиками, как они. Чедвик последовал некоторым предсказаниям Резерфорда, который первым работал в этой неизвестной области.Позже Эльзассер разработал первую нейтронную дифракцию в 1936 году, и те, кто отвечал за фактическое строительство, были Хальбан и Прейсверк. Сначала он был сконструирован для порошков, но позже Митчелл и Пауэрс разработали и продемонстрировали монокристаллическую систему. Все эксперименты, реализованные в первые годы, проводились с использованием источников радия и бериллия. Потока нейтронов от них было недостаточно для характеристики материалов. Затем прошли годы, и пришлось построить нейтронные реакторы, чтобы увеличить поток нейтронов, чтобы можно было полностью охарактеризовать исследуемый материал.
Между серединой и концом 40-х годов начали появляться источники нейтронов в таких странах, как Канада, Великобритания и некоторые другие страны Европы. Позже в 1951 году Шулл и Воллан представили доклад, в котором обсуждались длины рассеяния 60 элементов и изотопов, что открыло широкие возможности для дифракции нейтронов для получения структурной информации, которая может быть получена с помощью дифракции нейтронов.
Рисунок \ (\ PageIndex {5} \) Английский лауреат Нобелевской премии по физике Джеймс Чедвик (1891–1974)
Источники нейтронов
Первый источник нейтронов для ранних экспериментов был собран из источников радия и бериллия.Проблема с этим, как уже упоминалось, заключалась в том, что потока было недостаточно для проведения огромных экспериментов, таких как определение структуры неизвестного материала. Ядерные реакторы начали появляться в начале 50-х годов, и они оказали большое влияние на научную область. В 1960-х годах нейтронные реакторы были построены в зависимости от желаемого потока, необходимого для производства нейтронных пучков. В США первым был построен реактор с сильнопоточным пучком (HFBR). Позже за ним последовала лаборатория Ок-Ридж (HFIR) (рис. \ (\ PageIndex {6} \)), которая также предназначалась для производства изотопов, а через пару лет был построен ILL.Последний на данный момент самый мощный, и он был построен в результате сотрудничества Германии и Франции. Эти ядерные реакторы значительно увеличили поток, и до сих пор не было построено другого реактора лучше. Обсуждается, что, вероятно, лучшее решение для поиска большего потока — это поиск других подходов для производства нейтронов, таких как источники, управляемые ускорителем. Это может значительно увеличить поток нейтронов и, кроме того, могут быть выполнены другие возможные эксперименты.Ключевым моментом в этих устройствах является расщепление, которое увеличивает количество нейтронов, испускаемых одним протоном, и выделяемая энергия минимальна. В настоящее время их несколько по всему миру, но исследования продолжаются в поисках наилучшего способа выброса нейтронов.
Рисунок \ (\ PageIndex {6} \) Схематическое изображение HIFR. Предоставлено Окриджской национальной лабораторией, Министерство энергетики США.
Детекторы нейтронов
Хотя нейтроны являются отличными частицами для определения полных структур материалов, они имеют некоторые недостатки.Эти частицы испытывают достаточно слабое рассеяние, особенно если смотреть на мягкие материалы. Это вызывает серьезную озабоченность, поскольку могут возникнуть проблемы, связанные с рассеянием частиц, которые могут привести к неправильному пониманию при анализе структуры материала.
Нейтроны — это частицы, которые могут проникать через поверхность исследуемого материала. Это в первую очередь связано с ядерным взаимодействием частиц и ядра из материала.Это взаимодействие намного сильнее, чем взаимодействие электронов, и это только электростатическое взаимодействие. Также нельзя не учитывать взаимодействие, которое происходит между электронами и магнитным моментом нейтронов. Все эти обсуждаемые взаимодействия имеют большое преимущество для определения структуры, поскольку нейтроны взаимодействуют с каждым ядром в материале. Проблема возникает, когда материал анализируется, потому что нейтроны, будучи незаряженными материалами, затрудняют их обнаружение.{3} H \ + \ 4.79 МэВ \ label {5} \]
Первые две реакции применимы, когда обнаружение проводится в газовой среде, тогда как третья — в твердом. Каждая из этих реакций имеет большое поперечное сечение, что делает их идеальными для захвата нейтронов. Обнаружение нейтронов во многом зависит от скорости частиц. По мере увеличения скорости производятся более короткие волны и тем менее эффективным становится обнаружение. Чтобы получить точный сигнал от детектора, частицы, которые попадают в материал, должны быть как можно ближе.Этот сигнал необходимо быстро преобразовать, и детектор должен быть готов к следующему измерению.
В газовых детекторах цилиндр заполняется либо ³ He, либо BF _3. Электроны, образующиеся при вторичной ионизации, взаимодействуют с положительно заряженной анодной проволокой. Одним из недостатков этого детектора является то, что он не может достичь желаемой толщины, поскольку очень трудно получить фиксированную толщину с газом. Напротив, в сцинтилляционных детекторах, поскольку детектирование проявляется в твердом теле, можно получить любую толщину.Чем меньше толщина твердого тела, тем эффективнее становятся получаемые результаты. Обычно абсорбер представляет собой ⁶ Li, а подложка, которая обнаруживает продукты, представляет собой люминофор, который проявляет люминесценцию. Это излучение света, производимое люминофором, возникает в результате его возбуждения, когда ионы проходят через сцинтиллятор. Затем полученный сигнал собирается и преобразуется в электрический сигнал, чтобы сообщить, что нейтрон был обнаружен.
Рассеяние нейтронов
Одна из величайших особенностей рассеяния нейтронов заключается в том, что нейтроны рассеиваются каждым атомным ядром в материале, тогда как в рентгеновских исследованиях они рассеиваются электронной плотностью.Кроме того, нейтрон может рассеиваться магнитным моментом атомов. Интенсивность рассеянных нейтронов будет зависеть от длины волны, на которой они испускаются из источника. На рисунке \ (\ PageIndex {7} \) показано, как нейтрон рассеивается целью, когда на нее попадает падающий луч.
Рисунок \ (\ PageIndex {7} \) Схематическое изображение рассеяния нейтронов при попадании в цель. По материалам W. Marshall и S.W. Lovesey, Теория рассеяния тепловых нейтронов: использование нейтронов для исследования конденсированного состояния , Clarendon Press, Oxford (1971).
Падающий луч встречает цель, и рассеянная волна, образовавшаяся в результате столкновения, обнаруживается детектором в определенном положении, задаваемом углами θ, ϕ, которые соединяются dΩ. В этом сценарии предполагается, что нет переданной энергии между ядром атомов и выброшенным нейтроном, что приводит к упругому рассеянию.
Когда есть интерес к вычислению дифрагированных интенсивностей, площадь поперечного сечения необходимо разделить на рассеяние и поглощение соответственно.Что касается их энергий, существует умеренно большой диапазон для постоянного сечения рассеяния. Кроме того, существует широкий диапазон сечений, близких к ядерному резонансу. Когда приложенные энергии меньше резонансной, длина рассеяния и сечение рассеяния смещаются в отрицательную сторону в зависимости от исследуемой структуры. Это означает, что есть сдвиг в рассеянии, поэтому рассеяние не будет в фазе 180 °. Когда энергии выше резонанса, это означает, что поперечное сечение будет асимптотическим по отношению к площади ядра.Это ожидается для сферических структур. Также существует резонансное рассеяние, когда существуют разные изотопы, потому что каждый из них производит разные уровни ядерной энергии.
Когерентное и некогерентное рассеяние
Обычно в каждом материале атомы располагаются по-разному. Следовательно, нейтроны при рассеянии будут либо когерентно, либо некогерентно. Удобно определить дифференциальное сечение рассеяния, которое задается как \ ref {6}, где b представляет собой среднюю длину рассеяния атомов, k — вектор рассеяния, r _n — положение вектор анализируемого атома и, наконец, N — общее количество атомов в структуре.Это уравнение можно разделить на две части, одна из которых соответствует когерентному рассеянию и некогерентному рассеянию, как указано ниже. Обычно рассеянные частицы будут когерентными, что облегчает определение поперечного сечения, но когда есть различие в средней длине рассеяния, будет полная форма формулы, и эти новые изменения (некогерентное рассеяние) следует учитывать. Некогерентное рассеяние обычно происходит из-за изотопов и ядерных спинов атомов в структуре.{2} \]
Способность различать атомы с похожими атомными номерами или изотопами пропорциональна квадрату их соответствующих длин рассеяния. Уже известно несколько длин когерентного рассеяния некоторых атомов, которые очень похожи друг на друга. Таким образом, нейтронами еще проще идентифицировать структуру образца. Также нейтроны могут находить ионы легких элементов, потому что они могут обнаруживать элементы с очень низким атомным номером, такие как водород. Из-за отрицательного рассеяния, которое вызывает водород, он увеличивает контраст, что позволяет лучше его идентифицировать, хотя он имеет очень большое некогерентное рассеяние, которое заставляет электроны удаляться из падающего луча.
Магнитное рассеяние
Как уже упоминалось ранее, одна из величайших особенностей нейтронной дифракции заключается в том, что нейтроны из-за своего магнитного момента могут взаимодействовать либо с орбитальным, либо со спиновым магнитным моментом исследуемого материала. Не все элементы периодической таблицы обладают магнитным моментом. Единственные элементы, которые показывают магнитный момент, — это те, которые имеют неспаренные спины электронов. Когда нейтроны попадают в твердое тело, это вызывает рассеяние как от вектора магнитного момента, так и от самого нейтрона.На рисунке ниже \ (\ PageIndex {8} \) показаны различные векторы, возникающие при попадании падающего луча на твердое тело.
Рисунок \ (\ PageIndex {8} \) Диаграмма магнитного рассеяния нейтронов. По материалам G.E.Bacon, Neutron Diffraction , Clarendon Press, Oxford (1975).
При рассмотрении магнитного рассеяния необходимо учитывать пики когерентной магнитной дифракции, где магнитный вклад в дифференциальное сечение составляет p ² q ² для неполяризованного падающего пучка.Следовательно, амплитуда магнитной структуры будет выражаться как \ ref {9}, где q _n — вектор магнитного взаимодействия _, p _n — длина магнитного рассеяния, а остальные члены используются для определения положения атомы в элементарной ячейке. Когда этот член F _mag возводится в квадрат, результатом является интенсивность магнитного вклада анализируемого пика. Это уравнение применимо только к тем элементам, атомы которых развивают магнитный момент.
\ [F _ {\ text {mag}} \ = \ \ Sigma p_ {n} q_ {n} e ^
ParseError: ожидается EOF (нажмите, чтобы узнать подробности)
Стек вызовов: в (Книжные полки / Аналитическая_химия / Книга: _Physical_Methods_in_Chemistry_and_Nano_Science_ (Barron) / 07: _Molecular_and_Solid_State_Structure / 7.05: _Neutron_Diffraction), / content / body / div [5] / div [2] / p [3] / span, строка 1, столбец 2
\ label {9} \]
Магнитная дифракция становится очень важной из-за ее зависимости от d-расстояния. Из-за большего эффекта, производимого электронами при магнитном рассеянии, прямое рассеяние имеет большую силу, чем обратное рассеяние. Также может быть проявлено подобие рентгеновского излучения, интерференция между атомами, которая также учитывает структурный фактор. Эти интерференционные эффекты могут быть вызваны широким диапазоном разницы между распределением электронов и длиной волны тепловых нейтронов.Этот фактор быстро уменьшается по сравнению с рентгеновскими лучами, поскольку луч взаимодействует только с внешними электронами атомов.
Подготовка проб и окружающая среда
В нейтронографии нет единого протокола факторов, которые следует учитывать, таких как температура, электрическое поле и давление, и это лишь некоторые из них. Параметры присваиваются в зависимости от типа материала и просматриваемых данных. Могут быть достигнуты очень высокие температуры, такие как 1800K, или они могут опускаться до 4K.Обычно, чтобы достичь этих экстремальных температур, необходимо использовать специальную печь, способную достичь этих температур. Например, одним из наиболее часто используемых при работе с очень низкими температурами является холодильник He. Для высоких температур используются печи с цилиндром нагревательного элемента, например, из ванадия (V), ниобия (Nb), тантала (Ta) или вольфрама (W), который прикреплен к медным стержням, удерживающим образец. На рисунке \ (\ PageIndex {9} \) показана конструкция вакуумных печей, используемых для анализа.В качестве нагревательного элемента будет выбран металл, который лучше всего работает в желаемом диапазоне температур. Обычно используется металл ванадий, поскольку он предотвращает влияние других факторов, таких как когерентное рассеяние. Хотя с этим металлом этот вид рассеяния практически полностью снижен. Другим важным фактором в этих печах является то, что исследуемый материал не должен разлагаться в условиях вакуума. При анализе кристалл должен быть как можно более стабильным.Когда образцы не могут сохраняться в условиях вакуума, их нагревают в присутствии нескольких газов, таких как азот или аргон.
Рисунок \ (\ PageIndex {9} \) Металлическая камера, в которой находится образец. Предоставлено Институтом ядерной физики.
Обычно для приготовления образцов, исследуемых методом нейтронографии, требуются крупные кристаллы, а не мелкие, как для рентгеновских исследований. Это один из главных недостатков этого инструмента. Большинство экспериментов проводится на четырехкружном дифрактометре.Основная причина заключается в том, что несколько экспериментов проводятся при очень низких температурах, и для получения хороших спектров необходим He-холодильник. Сначала исследуемый кристалл устанавливается на кварцевое предметное стекло, которое должно быть размером пару миллиметров. Затем он вставляется в держатель образца, который выбирается в зависимости от желаемой температуры. Кроме того, нейтроны могут также анализировать образцы порошка, и чтобы подготовить образец для них, их необходимо полностью превратить в очень мелкие порошки, а затем вставить в кварцевое стекло аналогично кристаллическим структурам.Основная проблема этого метода заключается в том, что при измельчении образцов в порошки структура исследуемого образца может быть изменена.
Сводка
Нейтронная дифракция — отличный метод, используемый для полной характеристики молекул, включающих легкие элементы, а также очень полезный для молекул, которые имеют разные изотопы в структуре. Из-за того, что нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов, а не с внешними электронами атомов, такими как рентгеновские лучи, это приводит к более надежным данным.Кроме того, из-за магнитных свойств нейтронов можно охарактеризовать магнитные соединения из-за магнитного момента, который создают нейтроны. Также есть несколько недостатков, один из самых важных — это то, что для анализа с помощью этого метода необходимо достаточное количество пробы. Кроме того, для производства большого количества нейтронов требуется большое количество энергии. Было разработано несколько мощных источников нейтронов, чтобы проводить исследования самых крупных молекул и меньшего количества образцов.Однако по-прежнему существует потребность в устройствах, которые могут производить большое количество потока для анализа более сложных образцов. Нейтронная дифракция широко изучается благодаря тому факту, что она работает вместе с исследованиями рентгеновских лучей для определения характеристик кристаллических образцов. Свойства и преимущества этого метода могут значительно увеличиться, если некоторые недостатки будут устранены. Например, можно охарактеризовать изучение молекул, которые проявляют некоторый тип молекулярной силы. Это происходит потому, что нейтроны могут точно определять местонахождение атомов водорода в образце.Нейтроны дают лучший ответ на химические взаимодействия, которые присутствуют в каждой отдельной молекуле, тогда как рентгеновские лучи помогают дать представление о макромолекулярной структуре исследуемых образцов.
.
Нейтронная наука в Национальной лаборатории Ок-Ридж
Директорат нейтронных наук (NScD) стремится ответить на важные научные вопросы о фундаментальной природе материалов в атомном масштабе. Отвечая на важные научные вопросы, нейтроны помогают стимулировать инновации, улучшающие нашу повседневную жизнь: более мощные компьютеры, более эффективные лекарства, более долговечные батареи и улучшенная броня для военных.

NScD выполняет свою миссию, реализуя нейтронную научную программу мирового класса, которая стала возможной благодаря безопасной и надежной работе двух самых современных установок по рассеянию нейтронов в мире: реактора с высоким потоком изотопов (HFIR) и источника нейтронов расщепления (SNS). ).Эти два объекта финансируются Управлением науки и Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США. В партнерстве с Университетом Теннесси NScD управляет Центром Шулла Воллана — Объединенным институтом нейтронных наук, чтобы продвигать передовые технологии в области применения нейтронов на переднем крае науки и промышленности, и он посвящен обучению и обучению будущих исследователей. .
HFIR и SNS расположены в одном месте с Центром исследований и интеграции строительных технологий ORNL (BTRIC), Центром технологий углеродного волокна (CFTF), Центром исследований нанофазных материалов (CNMS), Центром структурной молекулярной биологии (CSMB), Производственным демонстрационным центром ( MDF), Национальный исследовательский центр транспорта (NTRC) и Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF).Эта группа передовых исследовательских центров предоставляет разнообразный набор инструментов и экспертных знаний, необходимых для экспериментов в широком спектре областей, включая биологию, науки о материалах и энергии, физику, инженерию и химию.
Немногие нейтронные установки по всему миру могут сравниться по мощности и научным возможностям, предлагаемым SNS и HFIR, в сочетании с близким доступом к дополнительным ведущим в мире исследовательским центрам. В результате тысячи исследователей со всего мира ежегодно подают заявки на завершение своих исследований в HFIR и SNS.Наиболее многообещающие предложения отбираются научной комиссией путем экспертной оценки. Ученые, чьи предложения были отобраны, бесплатно используют оборудование и инструменты SNS и HFIR в обмен на обнародование своих данных и результатов.
Наука о рассеянии нейтронов: где находятся атомы и что они делают?
Нейтроны — одна из частиц, составляющих материю. Во Вселенной много нейтронов, они составляют более половины всей видимой материи. Они также идеально подходят для определенных типов исследований.
Рассеяние нейтронов дает информацию о положениях, движениях и магнитных свойствах материалов. Когда пучок нейтронов направлен на образец, многие нейтроны проходят через материал. Но некоторые из них будут напрямую взаимодействовать с атомными ядрами и «отскакивать» под углом, как сталкивающиеся шары в игре в пул. Такое поведение называется рассеянием нейтронов.
Используя специальные детекторы, ученые подсчитывают рассеянные нейтроны, измеряют их энергию и углы, под которыми они рассеиваются, и определяют их окончательное положение.Это позволяет ученым собирать подробности о природе материалов, начиная от жидких кристаллов и заканчивая сверхпроводящей керамикой, от белков до пластмасс и от металлов до металлических стеклянных магнитов.
Эти данные помогают привести к достижениям, которые могут снизить стоимость, повысить эффективность и безопасность продуктов, которые мы используем каждый день, например:
Как нейтроны можно использовать для исследований?
Нейтроны обладают множеством свойств, которые предоставляют подробные сведения о структуре и движении атомов, которые нелегко получить с помощью других исследовательских методов.Эти свойства делают их идеальными для определенных типов исследований.

Неразрушающие и высокопроникающие
Нейтроны неразрушающие и обладают высокой проникающей способностью, что позволяет изучать такие вещи, как полимеры, белки и другие биологические материалы, а также механические компоненты в реальном времени и в реальных средах, не разрушая их. Эти качества также предоставляют подробную информацию о расположении и движении атомов по всему материалу, а не только под поверхностью, что-то вроде сканирования магнитно-резонансной томографии (МРТ) в кабинете врача.Нейтроны из SNS и HFIR использовались учеными для открытия нового понимания структуры и движения белков, полимеров и компонентов автомобильных двигателей, когда они работают в режиме реального времени.

Магнитный момент
В отличие от протонов и электронов, нейтроны не имеют электрического заряда, однако у них есть магнитный момент. Это делает их уникально чувствительными к магнетизму на атомном уровне, предоставляя исследователям информацию о магнитных явлениях в материалах, которую нелегко получить с помощью других методов.Ученые использовали это свойство, чтобы увеличить емкость хранения данных, сделать датчики более эффективными, повысить эффективность электронных устройств и улучшить наше понимание квантовых явлений, что является ключом к открытию достижений в квантовых вычислениях.

Чувствительность к световым элементам
Благодаря своей уникальной чувствительности к водороду нейтроны можно использовать для точного определения местоположения атомов водорода, что позволяет более точно определять молекулярную структуру, что важно для разработки новых терапевтических препаратов.Нейтроны, рассеянные водородом в воде, могут обнаружить частички влаги в крыльях истребителя — признаки микроскопического растрескивания и ранней коррозии, которые указывают на ту часть крыла, которую следует заменить. Нейтроны также можно использовать для определения местоположения других легких атомов среди тяжелых атомов. Эта возможность помогает ученым открыть сферу квантовых сверхсостояний, таких как сверхпроводимость и сверхтекучесть.

Энергия, идеально подходящая для наблюдения за движущимися атомами
Поскольку энергии тепловых нейтронов близко соответствуют энергиям движущихся атомов, нейтроны можно использовать для отслеживания молекулярных колебаний и движений атомов белка во время каталитических реакций.Недавние исследования с нейтронами выявили структурные различия между нормальными и патологическими формами белка, участвующего в болезни Хантингтина, и это исследование продвигается вперед для изучения мальформации белка, ответственного за болезни Альцгеймера и Паркинсона.
.

Нейтрон в химии это: нейтрон — Химическая энциклопедия

Число нейтронов в атоме. Изотопы — урок. Химия, 8–9 класс.

Химические элементы, подготовка к ЕГЭ по химии

Химический элемент

Протоны, нейтроны и электроны

Изотопы