27.02. 1932 р. у Nature надруковане повідомлення Джеймса Чедвіка про можливість існування нейтрона
Нейтрон — електрично нейтральна частинка, що входить до групи частинок під назвою баріони, котрі в свою чергу входять до складу групи адронів. Електрична нейтральність нейтрона зумовлюється тим, що заряд u-кварка, який входить до складу нейтрона, компенсується зарядами двох d-кварків. У нейтрона є античастинка, яка називається антинейтроном.
Маса нейтрона приблизно дорівнює масі протона 1,6749543•10−27 кг = 1838,5 мас електрона. Це тільки на ~2,5 електронних мас перевищує масу протона. З нейтронів і протонів складаються ядра атомів, в яких нейтрон стабільний. У вільному стані нейтрон нестабільний і радіоактивний. Середній період існування 12,5 хв. Перетворюється на протон+електрон+антинейтрино. Внаслідок відсутності заряду має велику проникність, оскільки під час руху в речовині нейтрон не витрачає енергії на іонізацію, випромінювання тощо. Нейтрони використовуються в активаційному аналізі, нейтронній радіографії, нейтронному гамма-каротажі, нейтронографії та інших методах досліджень.
На нейтрон, як і на інші адрони, діють всі чотири фундаментальні фізичні сили:
Нейтрон не має електричного заряду, але взаємодіє з електромагнітним полем завдяки своєму магнітному моменту.
Нейтрон відкрив у 1932 році Джеймс Чедвік. У 1935 році він отримав за це відкриття Нобелівську премію. Експерименти, які засвідчували виникнення випромінювання з великою глибиною проникнення в речовину, проводилися й раніше, але це випромінювання намагалися інтерпретувати, як народження гамма-квантів. Чедвіку належить заслуга доказу, що нове випромінювання належить частинці з масою, приблизно рівною масі протона.
Спочатку вважалося, що нейтрон є зв'язаним станом протона й електрона, а ядро атома складається із протонів та електронів, але точніші вимірювання маси частинки показали, що вона більша за сумарну масу протона й електрона, що неможливо при зв'язуванні. Розпад нейтрона на протон і електрон, при якому зайву енергію забирає нейтрино, підтверджує цей висновок. Існували й інші складнощі протонно-електронної моделі. Вона не могла пояснити ціле значення спіну ядра Нітрогену в молекулі азоту, а також відсутність електронного внеску в надтонку структуру. Крім того, електрон надто легка частинка, щоб її можна було локалізувати в об'ємі ядра. Першими довели, що ядро не може складатися з електронів та протонів Амбарцумян Віктор Амазаспович та Дмитро Іваненко[1][2], а з середини 1930-их утвердилася протон-нейтронна модель ядра.
Антинейтрон відкрив у 1956 році Брюс Корк
Нейтрони утворюються у великій кількості в ядерних реакторах під час поділу ядра 235U. Поділ відбувається при захопленні нейтрона ядром, але як наслідок утворюється кілька вільних нейтронів. Цей процес називають розмноженням нейтронів.
скільки нейтрони не мають електричного заряду, а магнітна взаємодія слабка, то швидкі нейтрони можуть проникати в речовину на значну глибину. Єдиним типом взаємодії є пряме зіткнення з ядрами речовини, імовірність якого невисока з огляду на малі розміри ядер. Енергія, яку нейтрон втрачає при зіткненні, передаючи його ядру, з яким зіткнувся, залежить від співвідношення мас нейтрона й ядра і тим більша, чим ближчі між собою ці маси. Тому нейтрони краще гальмуються речовинами, в яких багато водню: водою, вуглеводами тощо. Саме речовини із малими масами ядер використовуються для сповільнення нейтронів у ядерних реакторах.
У камерах Вільсона чи бульбашкових камерах нейтрон не залишає треку, проте вибите із атома заряджене ядро залишає трек, тож можна прослідкувати, у якій точці відбулося зіткнення.
Деякі ядра атомів поглинають нейтрони. При поглинанні спочатку один ізотоп хімічного елементу перетворюється в інший, але такі ізотопи часто нестабільні. Наприклад, при поглинанні нейтрона ізотопом урана 235U, новий ізотоп розпадається.
Джеймс Чедвік (20 жовтня 1891, Чешир — 24 липня 1974)
Народився у Боллінгтоні 20 жовтня 1891 року. Батько — Джозеф Чедвік, мати — Анна Марі Нолес. Навчався в Манчестерській вищій школі, Манчестерському і Кембриджському університетах. У 1913 році працював разом із Гансом Гейгером в Політехнічному університеті Берліна. На початку Першої світової війни його було кинуто до табору для цивільних, поки за нього не заступилася лабораторія Гейгера.
У 1923—1935 роках викладав у Кембриджському університеті і був заступником Ернеста Резерфорда у Кавендішській лабораторії. У 1935—1948 роках — професор Ліверпульського університету. Під час Другої світової війни очолював групу англійських вчених, які працювали в лабораторії Лос-Аламоса (США) над створенням атомної зброї (1943—1945). Ця розробка отримала назву «Мангеттенський проєкт». 1948 року повернувся до Кембриджського університету і працював там протягом десяти років.
Перші наукові праці були присвячені вивченню природної радіоактивності. 1914 року показав безперервність спектра β-випромінювання. Своїми дослідами з розсіяння α-частинок ядрами срібла, міді, платини остаточно підтвердив теорію атома Резерфорда. Також виміряв заряди атомних ядер і підтвердив рівність їх порядковому номеру елемента у Періодичній системі Дмитра Менделєєва.
З початку 20-х років виконав серію безуспішних дослідів з виявлення нейтронів при електричних розрядах у водні, намагаючись підтвердити гіпотезу про можливість існування таких частинок, висунуту Е. Резерфордом 3 червня 1920 року у Бакеріанській лекції, прочитаній на тему «Нуклеарна будова атома».
Джеймс Чедвік та інші вчені продовжували спроби з виявлення елементарних частинок — нейтронів. У 1930-ті роки німецькі фізики Вальтер Боте і Герберт Беккер бомбардуючи α-частинками берилій, бор, виявили, що вони випускають промені з великою проникною здатністю, які були спочатку прийняті за жорсткі γ-промені. На початку січня 1932 року Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі повідомили про результати своїх досліджень з цим випромінюванням і показали, що воно здатне вибивати з водневовмістких речовин протони, надаючи їм великої швидкості.
Проте жорсткі γ-промені через недостатність власної енергії цього здійснити не могли. Провівши серію експериментів, Чедвік довів, що фотонна інтерпретація берилієвого випромінювання несумісна із законом збереження енергії, і показав, що всі труднощі зникають, якщо припустити, що берилієве випромінювання складається з частинок з масою, яка майже дорівнює масі протона, і нульовим зарядом, що він їх назвав нейтронами. Повідомлення про це вчений уперше опублікував 27 лютого 1932 року на сторінках англійського журналу «Nature».
За відкриття нейтрона у 1935 році удостоєний Нобелівської премії. Також займався дослідженням ланцюгової ядерної реакції; одним з перших розрахував критичну масу для урану-235. Автор багатьох наукових праць, був обраний членом ряду наукових товариств і академій.