Een
neutron
is een
subatomair deeltje
zonder
elektrische lading
dat voorkomt in
atoomkernen
. Het is opgebouwd uit drie
quarks
, namelijk twee
downquarks
en een
upquark
. Alle atoomkernen op een na bevatten naast een of meer
protonen
ook een of meer neutronen. De enige uitzondering is
protium
(
1
H, de meest voorkomende vorm van
waterstof
), waarvan de kern uit alleen een 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.
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 '
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
alfadeeltjes
er een ongewoon doordringende straling werd geproduceerd. In eerste instantie werd gedacht dat dit
gammastraling
was, ondanks dat deze doordringender was dan gammastraling. De volgende belangrijke bijdrage werd gerapporteerd in 1932 door het echtpaar
Frederic
en
Irene Joliot-Curie
. Uit hun experimenten bleek dat deze uitgezonden gammastralen 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 gammastraling 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 Existence 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-9
te beschieten met
alfadeeltjes
(
9
Be + α →
12
C + n) kon hij de massa van het neutron bepalen op 1,66033×10
?27
kg. In 1935 ontving Chadwick hiervoor de
Nobelprijs voor Natuurkunde
.
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
proton
, een
elektron
en een
elektron-antineutrino
.
Dit is een voorbeeld van
betaverval
(elektronenemissie wordt
betastraling
genoemd). Het verschil in
massa
(1,3 MeV) tussen het neutron (939,6 MeV) en het iets lichtere proton (938,3 MeV) komt voor het grootste deel vrij als energie en wordt voor een kleiner deel (0,511 MeV) gebruikt voor het elektron.
Neutronen in onstabiele atoomkernen kunnen ook op deze wijze vervallen, echter binnen een atoomkern kunnen protonen ook veranderen in een neutron via invers betaverval. Deze transformatie treedt op samen met de emissie van een anti-elektron (
positron
) en een
elektron-neutrino
.
De transformatie van een proton in een neutron binnen de atoomkern is ook mogelijk door elektroninvang.
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 betaverval 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
.
Omdat een neutron neutraal is, moet waarneming van een neutron onrechtstreeks gebeuren met een
neutrondetector
.
Bronnen, noten en/of referenties
- ↑
(
en
)
Chadwick, J.
(1932).
Possible Existence of a Neutron
.
Nature
129
(3252): 312.
DOI
:
10.1038/129312a0
.
- ↑
(
en
)
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
.
- ↑
(
en
)
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
.
|