Що таке нейтрон у фізиці: будова, властивості та використання

Що таке нейтрон? Таке питання найчастіше виникає у людей, які не займаються ядерною фізикою, адже під нейтроном в ній розуміють елементарну частинку, яка не має електричного заряду і володіє масою, що перевищує електронну в 1838,4 рази. Разом з протоном, маса якого трохи менша, ніж маса нейтрона, він є “цеглинкою” “атомного ядра. У фізиці елементарних частинок нейтрон і протон покладаються двома різними формами однієї частинки – нуклону.

Будова нейтрона

Нейтрон присутній у складі ядер атомів для кожного хімічного елемента, виняток становить лише атом водню, ядро якого являє собою один протон. Що таке нейтрон, яку будову він має? Хоча він і називається елементарною “” цеглинкою “” ядра, але все ж має свою внутрішню структуру. Зокрема, він належить до сімейству баріонів і складається з трьох кварків, два з яких є кварками нижнього типу, а один – верхнього. Всі кварки мають дробовий електричний заряд: верхній заряджений позитивно (+ 2/3 від заряду електрону), а нижній – негативно (-1/3 електронного заряду). Саме тому нейтрон не має електричного заряду, адже він у складових його кварків просто компенсується. Тим не менш, магнітний момент нейтрона не дорівнює нулю.

У складі нейтрона, визначення якого було дано вище, кожен кварк з ‘єднаний з іншими за допомогою глюонового поля. Глюон є часткою, відповідальною за утворення ядерних сил.

Крім маси в кілограмах і атомних одиницях маси, в ядерній фізиці масу частинки описують також в ГЕВ (гігаелектронвольтах). Це стало можливим після відкриття Ейнштейном свого знаменитого рівняння E = mc2, яке пов ‘язує енергію з масою. Що таке нейтрон у ГЕВ? Це величина 0,0009396, яка трохи більше аналогічної для протона (0,0009383).

Стабільність нейтрона і ядер атомів

Присутність нейтронів в атомних ядрах дуже важлива для їх стабільності і можливості існування самої атомної структури і речовини в цілому. Справа в тому, що протони, які також складають атомне ядро, мають позитивний заряд. І зближення їх на близькі відстані вимагає витрат величезних енергій через кулонівське електричне відштовхування. Ядерні ж сили, що діють між нейтронами і протонами на 2-3 порядку сильніше кулонівських. Тому вони здатні утримувати позитивно заряджені частинки на близьких відстанях. Ядерні взаємодії є короткодіючими і проявляють себе тільки в межах розмірів ядра.

Формулу нейтронів використовують для знаходження їх кількості в ядрі. Вона виглядає так: кількість нейтронів = атомна маса елемента – атомний номер у таблиці Менделєєва.

Вільний нейтрон – це частинка нестабільна. Середній час його життя становить 15 хвилин, після чого він розпадається три частинки:

Передумови відкриття нейтрону

Теоретичне існування нейтрона у фізиці було запропоновано ще в 1920 році Ернестом Резерфордом, який намагався таким чином пояснити, чому атомні ядра не розвалюються через електромагнітне відштовхування протонів.

Ще раніше, в 1909 році в Німеччині, Боті і Беккер встановили, що якщо альфа-частинками великих енергій від полонію опромінювати легкі елементи, наприклад, берилій, бір або літій, то утворюється випромінювання, яке проходить через будь-яку товщину різних матеріалів. Вони припустили, що це випромінювання гамма, проте жодне подібне випромінювання, відоме на той момент, не володіло такою великою проникаючою здатністю. Експерименти Боте і Беккера не були інтерпретовані належним чином.

Відкриття нейтрона

Існування нейтрона було виявлено англійським фізиком Джеймсом Чедвіком в 1932 році. Він вивчав радіоактивне випромінювання берилію, провів серію експериментів, отримавши результати, які не збігалися з тими, що передбачали фізичні формули: енергія радіоактивного випромінювання набагато перевершувала теоретичні значення, також порушувався закон збереження імпульсу. Тому необхідно було прийняти одну з гіпотез:

1. Або момент імпульсу не зберігається при ядерних процесах.
2. Або радіоактивне випромінювання складається з частинок.

Перше припущення вчений відкинув, оскільки воно суперечить фундаментальним фізичним законам, тому прийняв другу гіпотезу. Чедвік показав, що радіаційне випромінювання в його експериментах утворено частинками з нульовим зарядом, які мають сильну проникаючу здатність. Крім того, він зміг виміряти масу цих частинок, встановивши, що вона трохи більше такої для протона.

Повільні й швидкі нейтрони

Залежно від енергії, якою володіє нейтрон, він називається повільним (близько 0,01 МЕВ) або швидким (близько 1 МеВ). Така класифікація важлива, оскільки від швидкості нейтрона залежать деякі його властивості. Зокрема, швидкі нейтрони добре захоплюються ядрами, призводячи до утворення їх ізотопів, і викликаючи їх поділ. Повільні нейтрони погано захоплюються ядрами практично всіх матеріалів, тому вони можуть безперешкодно проходити крізь товсті шари речовини.

Роль нейтрона в поділі ядра урану

Якщо задаватися питанням, що таке нейтрон в ядерній енергетиці, то можна з упевненістю сказати, що це засіб індукування процесу ділення ядра урану, що супроводжується виділенням великої енергії. Під час цієї реакції поділу також породжуються нейтрони різних швидкостей. Своєю чергою утворені нейтрони індукують розпад інших ядер урану, і реакція протікає ланцюговим чином.

Якщо реакція поділу урану буде неконтрольованою, то це призведе до вибуху реакційного обсягу. Цей ефект використовується в ядерних бомбах. Контрольована реакція поділу урану є джерелом енергії в ядерних електростанціях.

Механічна робота — визначення, формули, приклади

Механічна робота – це одна з основних скалярних величин у фізиці. Механічна робота – один зі способів зміни внутрішньої енергії тіла або субстанції (наприклад, газу або рідини), що знаходяться поряд з такими формами теплопередачі, як:

Всі ці явища вивчаються в розділі теплових явищ. В рамках стандартної шкільної програми вона вивчається в сьомому класі в розділі механіки.

Що таке робота у фізиці – визначення і формула

Механічна робота – це кількість енергії, яку потрібно затратити для того, щоб тіло почало рівномірний рух і пройшло деяку дистанцію.

У фізиці механічною роботою називається добуток сили, яка діє на деяке тіло, на відстань, яку воно проходить під її впливом:

У більш складних випадках у формулі з’являється і третя величина – косинус кута, під яким один до одного розташовані вектори руху і прикладеної сили. Знайти її значення можна за формулою:

У чому вимірюється робота

Існують різні способи для її практичного вимірювання, які залежать від типу виробленого руху. При цьому в формулу роботи підставляють значення сили в Ньютонах і відстані в метрах. Кут між векторами вимірюють в математичних одиницях – градусах.

Робота сили тертя

За умов, що існують на Землі, на будь-яке рухоме тіло впливає сила тертя, що уповільнює його рух. Найчастіше – це тертя поверхні, по якій рухається об’єкт. Це очевидно з того факту, що при впливі постійної сили на тіло його швидкість виявиться змінною.

Отже, повинна бути й інша сила, що протидіє їй – і це сила тертя. Якщо система координат обрана у напрямку руху тіла, то її числове значення буде негативним.

Позитивна і негативна робота

Числове значення роботи, яку здійснює сила, може ставати негативним у разі якщо її вектор протилежний вектору швидкості.

Іншими словами, сила може не тільки надавати тілу швидкість для здійснення руху, але і перешкоджати вже здійснюваному переміщенню. В такому випадку вона буде називатися протидіє.

Корисна або витрачена робота

У тіла, що здійснює одну і те ж дію, є два значення роботи. Перша з них, корисна, обчислюється за звичайною формулою.

Друга, витрачена, за своїм поняттям не має загальної формули для обчислення і вимірюється практично. Ця різниця між досконалою в реальності роботою і тією, яка повинна була бути здійснена в теорії, дорівнює коефіцієнту корисної дії – ККД.

ККД = А корисна/А витрачена,

ККД виражається у відсотках і завжди менше ніж 100.

Потужність

Середня кількість роботи, що здійснюється за одиницю часу (секунду), характеризує таку величину, як потужність. Формула для її обчислення виглядає так:

Як роботу можна підставити відому формулу для її обчислення в залежності від ситуації. Відповідь буде виражений у ватах.

Однак, при рівномірному русі можна використовувати і іншу формулу:

Підставивши замість звичайної швидкості миттєву, можна отримати значення миттєвої потужності.

Приклади розв’язання задач

Розглянемо кілька простих завдань на знаходження механічної роботи.

Яку роботу здійснює підйомний механізм, що підіймає десятикілограмовий блок на висоту 50 метрів.

Для того, щоб підняти тіло, необхідно подолати діючу на нього силу тяжіння. Тобто F, з якої підіймається блок, дорівнює тій, з якою він притягується до землі. Оскільки остання дорівнює m * g, то для знаходження кінцевого результату знадобиться тільки одна змінена версія стандартної формули, згаданої вище:

За допомогою простої математики знайдемо числову відповідь:

Втім, не завжди мова йде про силу тяжіння.

Яка робота робиться силою пружності, коли пружина з жорсткістю 10 Н/м, стиснута на 20 см, повертається в початковий стан? Система замкнута, немає ніяких зовнішніх сил, що впливають на пружину.

Для початку потрібно знайти саму F пружності, яка здійснює роботу. Її формула

• x – це довжина, на яку стискається або розтягується пружина;
• k – коефіцієнт її жорсткості.

Переміщення пружини дорівнює її деформації, і отже, кінцева формула в цьому випадку буде виглядати так:

A = S * x * k = x * x * k = x² * k.

Далі за допомогою елементарних обчислень розрахуємо відповідь:

A = (0,2 м)² * 10 Н/м = 0,04 * 10 = 0,4 Дж.

Але у всіх завданнях по даній темі траєкторія руху тіла пряма.

Розрахуйте, яка сила, що діє на колесо, якщо на те, щоб зробити повний оборот, йому потрібно 10 кДж. Діаметр диска дорівнює 40 см, а товщина шини – 10 см.

В цьому випадку нам потрібно знайти не А, а F, але зробити це можна за допомогою все тієї ж формули. Візьмемо точку на поверхні колеса. Припустимо, що при обертальному русі її вектор буде протилежний вектору прикладання сили, а значить косинусом у формулі знову можна знехтувати.

Таким чином, за один оборот колеса точка пройде відстань, рівну довжині кола, яку можна обчислити як 2πr або πd. Діаметр кола можна знайти з наданих даних: він дорівнює сумі діаметра диска і подвоєної товщини шини, тобто 40 см + 2 * 10 см = 40 см + 20 см = 60 см = 0,6 м.

Тепер, коли ми можемо обчислити відстань, у нас є всі дані для того, щоб приступити до знаходження сили.

Формула роботи для цього випадку буде такою: A = F * π * d, то силу, відповідно, можна буде виразити як

F = 10 кДж / (3,14 * 0,6 м) = 10000 Дж / 1,884 м = ~ 5308 Н.