중성자

Neutron
중성자
중성자의 쿼크 함량. 개별 쿼크의 색상 할당은 임의이지만 세 가지 색상이 모두 존재해야 합니다. 쿼크 사이의 힘은 글루온에 의해 매개됩니다.
분류중입자
구성.위 쿼크 1개, 아래 쿼크 2개
통계학페르미온
가족하드론
상호작용중력, 약함, 강함, 전자파
기호.
n
,
n0
,
N0
반입자반중성자
이론화된어니스트 러더퍼드(Ernest Rutherford[1], 1920)
발견된제임스 채드윅[2] (1932)
덩어리1.67492749804(95)×10−27 kg[3]
939.56542052(54) MeV/c2[3]
1.00866491588(49) Da[4]
평균수명879.4(6) s (free)[5]
전하0 e
(-2±8)×10e−22(실험한계)[6]
전기 쌍극자 모멘트< 1.8x10e⋅cm(실험상상한)
전기 분극성1.16(15)×10−3 fm3
자기 모멘트 −0.96623650(23)×10−26J·T−1[4]
−1.04187563(25)×10−3 μB[4]
−1.91304273(45) μN[4]
자기편광도3.7(20)x10−4 fm3
스핀1/2 ħ
아이소스핀1/2
패리티+1
축약된I(J) = 1/2(1/2)

중성자아원자 입자, 기호 n 또는
n으로0
중성(양음 또는 음이 아님) 전하를 가지며 양성자보다 약간 더 큰 질량을 가지고 있습니다.
양성자와 중성자는 원자핵을 구성합니다. 양성자와 중성자는 핵 안에서 비슷하게 행동하며 각각 약 1달톤의 질량을 가지고 있기 때문에 둘 다 핵자라고 불립니다. 그들의 특성과 상호 작용은 핵 물리학에 의해 설명됩니다. 양성자와 중성자는 기본 입자가 아닙니다. 각각 3개의 쿼크로 구성되어 있습니다.

원자의 화학적 성질은 대부분 원자의 무거운 핵 주위를 도는 전자의 구성에 의해 결정됩니다. 전자의 구성은 양성자의 수 또는 원자 번호에 의해 결정되는 핵의 전하에 의해 결정됩니다. 중성자 수는 중성자 수이다. 중성자는 전자 구성에 영향을 미치지 않습니다.

중성자수만 다른 화학 원소의 원자를 동위원소라고 합니다. 예를 들어, 원자번호 6인 탄소는 6개의 중성자를 가진 풍부한 동위원소 탄소-12와 7개의 중성자를 가진 희귀한 동위원소 탄소-13을 가지고 있습니다. 어떤 원소들은 자연에서 불소와 같이 하나의 안정 동위원소만 가지고 발생합니다. 안정 동위 원소가 10개인 주석이나 테크네튬과 같이 안정 동위 원소가 없는 많은 안정 동위 원소에서 다른 원소들이 발생합니다.

원자핵의 성질은 원자 번호와 중성자 번호 모두에 의해 결정됩니다. 양전하를 띤 핵 안의 양성자들은 장거리 전자기력에 의해 반발하지만, 훨씬 강력하지만 짧은 거리의 핵력은 핵자들을 밀접하게 결합시킵니다. 단일 양성자 수소 핵을 제외하고는 핵의 안정성을 위해서는 중성자가 필요합니다. 중성자는 핵분열핵융합 과정에서 엄청나게 생성됩니다. 그들은 핵분열, 핵융합, 중성자 포획 과정을 통해 내에서 화학 원소의 핵합성에 주요 기여자입니다.

중성자는 원자력 생산에 필수적입니다. 1932년 제임스 채드윅에 의해 중성자가 발견된 후 10년 동안 중성자는 다양한 유형의 핵변환을 유도하는 데 사용되었습니다. 1938년에 핵분열이 발견되면서, 핵분열 사건이 중성자를 생성하면, 이 중성자들 각각이 연쇄 반응으로 알려진 캐스케이드에서 추가적인 핵분열 사건을 일으킬 수 있다는 것이 빠르게 밝혀졌습니다. 이러한 사건과 발견은 최초의 자생적 원자로(시카고 파일-1, 1942)와 최초의 핵무기(트리니티, 1945)로 이어졌습니다.

중성자 발생기, 연구용 원자로분열원과 같은 전용 중성자 소스방사선 조사 및 중성자 산란 실험에 사용할 수 있는 자유 중성자를 생성합니다. 자유 중성자는 양성자, 전자, 반중성미자로 자발적으로 붕괴하며, 평균 수명은 약 15분입니다.[7] 자유 중성자는 원자를 직접 이온화하지는 않지만 간접적으로 이온화 방사선을 일으키기 때문에 선량에 따라 생물학적 위험이 될 수 있습니다.[8] 지구에는 우주선 샤워와 지각에 있는 자발적인 핵분열성 원소의 자연 방사능에 의해 발생하는 자유 중성자의 작은 자연적인 "중성자 배경" 플럭스가 존재합니다.[9]

묘사

원자핵원자력에 의해 결합된 수많은 양성자 Z(원자번호)와 중성자 N(중성자번호)에 의해 형성됩니다. 양성자와 중성자는 각각 약 1달톤의 질량을 가지고 있습니다. 원자 번호는 원자의 화학적 성질을 결정하고, 중성자 번호는 동위원소핵종을 결정합니다.[8] 동위원소와 핵종이라는 용어는 흔히 동의어로 쓰이지만 각각 화학적 성질과 핵 성질을 말합니다. 동위원소는 원자 번호는 같지만 중성자 번호는 다른 핵종입니다. 중성자수는 같지만 원자수가 다른 핵종을 동위원소라고 합니다. 원자 질량수 A는 원자수와 중성자수의 합과 같습니다. 원자 질량수는 같지만 원자 번호와 중성자 번호가 다른 핵종을 이소바르라고 합니다. 핵의 질량은 항상 양성자와 중성자 질량의 합보다 약간 작습니다. 질량의 차이는 핵을 분해하기 위해 추가되어야 하는 에너지인 핵 결합 에너지와 동등한 질량을 나타냅니다.[10]: 822

수소 원자의 가장 흔한 동위 원소의 핵(화학 기호 H)은 단독 양성자입니다. 중수소 동위원소 중수소(D 또는 H)와 삼중수소(T 또는 H)의 핵은 각각 하나의 양성자와 두 개의 중성자에 결합되어 있습니다. 다른 모든 종류의 원자핵은 2개 이상의 양성자와 다양한 수의 중성자로 구성되어 있습니다. 예를 들어, 일반적인 화학 원소 납의 가장 흔한 핵종인 Pb는 양성자 82개와 중성자 126개를 가지고 있습니다. 핵종 표는 알려진 모든 핵종으로 구성됩니다. 화학 원소는 아니지만 중성자는 이 표에 포함되어 있습니다.[11]

The free neutron has a mass of 939565413.3 eV/c2, or 1.674927471×10−27 kg, or 1.00866491588 Da.[4] 중성자의 평균 제곱 반지름은 약 0.8×10 m, 즉 0.8 fm이며, 스핀 ½ 페르미온입니다. 중성자는 측정 가능한 전하가 없습니다. 양성자는 양의 전하를 띠기 때문에 전기장의 영향을 직접 받는 반면, 중성자는 전기장의 영향을 받지 않습니다. 그런데 중성자는 자기모멘트가 있어서 중성자는 자기장의 영향을 받습니다. 중성자의 자기 모멘트는 음의 값을 갖는데, 그 방향은 중성자의 스핀과 반대이기 때문입니다.[14]

자유 중성자는 불안정하며 평균 수명이 15분(879.6±0.8초)에 조금 못 미치는 양성자, 전자 및 반중성미자붕괴됩니다.[5] 베타 붕괴라고 알려진 이 방사성 붕괴는 중성자의 질량이 양성자의 질량보다 약간 크기 때문에 가능합니다. 자유 양성자는 안정적입니다. 그러나 핵 안에 결합된 중성자나 양성자는 핵종에 따라 안정적일 수도 있고 불안정할 수도 있습니다. 중성자가 양성자로 붕괴하거나 반대로 붕괴하는 베타 붕괴는 약력에 의해 지배되며, 전자와 중성미자, 또는 그 반입자의 방출 또는 흡수가 필요합니다.

우라늄-235에 의한 중성자 흡수에 의한 핵분열. 무거운 핵종 파편은 더 가벼운 성분과 추가 중성자로 분해됩니다.

양성자와 중성자는 핵 내의 핵력의 영향을 받아 거의 동일하게 행동합니다. 따라서 둘 다 핵자로 통칭됩니다.[15] 양성자와 중성자를 동일한 입자의 두 양자 상태로 보는 아이소스핀의 개념은 핵력 또는 약력에 의한 핵자의 상호작용을 모델링하는 데 사용됩니다. 짧은 거리에서의 핵력의 세기 때문에 핵자의 결합에너지는 원자 내 전자기력의 결합에너지보다 7배 이상 더 큽니다. 따라서 핵반응(핵분열과 같은)은 화학반응의 천만 배 이상의 에너지 밀도를 가지고 있습니다. 질량-에너지 등가성 때문에 핵결합 에너지는 핵의 질량을 감소시킵니다. 궁극적으로 원자로나 폭탄을 가능하게 하는 대부분의 에너지는 원자력의 전자기력에 의한 에너지 저장 능력에 의해 결정됩니다. 핵분열에서 중성자가 무거운 핵종(: 우라늄-235)에 의해 흡수되면 핵종이 불안정해져 가벼운 핵종과 추가 중성자로 분해됩니다. 그러면 양전하를 띤 가벼운 핵종들이 반발하여 전자기 퍼텐셜 에너지를 방출합니다.

중성자는 쿼크로 이루어진 복합입자이기 때문에 강입자로 분류됩니다. 중성자는 또한 중입자로 분류되는데, 이는 3개의 원자가 쿼크로 구성되어 있기 때문입니다.[16] 중성자의 유한한 크기와 자기 모멘트는 모두 중성자가 기본 입자가 아닌 복합 입자임을 나타냅니다. 중성자는 -1/3e 전하를 가진 두 개의 아래 쿼크 +2/3e 전하를 가진 하나의 위 쿼크를 포함합니다.

양성자와 마찬가지로 중성자의 쿼크는 글루온에 의해 매개되는 강한 힘에 의해 함께 고정됩니다.[17] 핵력은 더 근본적인 강한 힘의 2차 효과에서 비롯됩니다.

디스커버리

중성자와 그 성질의 발견에 대한 이야기는 20세기 전반에 일어난 원자 물리학의 놀라운 발전의 중심이며, 결국 1945년 원자폭탄으로 이어졌습니다. 1911년 러더퍼드 모델에서 원자는 훨씬 더 큰 음전하를 띤 전자 구름으로 둘러싸인 양전하를 띤 작은 거대한 핵으로 구성되어 있었습니다. 1920년, 어니스트 러더퍼드는 핵이 양성자와 중성으로 대전된 입자로 구성되어 있다고 제안했고, 어떤 식으로든 양성자와 전자가 결합되어 있다고 제안했습니다.[18] 베타 방사선은 핵에서 방출된 전자로 구성되어 있다고 알려져 있기 때문에 전자가 핵 내에 존재한다고 가정했습니다.[18] 러더퍼드가 중성 양성자-전자 복합체를 제안할 무렵, 다른 여러 출판물들도 비슷한 제안을 하는 것으로 나타났고, 1921년 미국의 화학자 W. D. 하킨스는 처음으로 이 가상 입자를 "중성자"라고 이름 지었습니다.[19][20] 이 이름은 중성자(neutralis)에 대한 라틴어 어근과 그리스어 접미사 -on(아원자 입자, 즉 전자양성자의 이름에 사용되는 접미사)에서 유래했습니다.[21][22] 그러나 원자와 관련된 중성자라는 단어에 대한 언급은 일찍이 1899년 문헌에서 찾아볼 수 있습니다.[20]

1920년대 내내 물리학자들은 원자핵이 양성자와 "핵 전자"로 구성되어 있다고 가정했지만,[23][24] 이는 명백한 문제를 제기했습니다. 핵의 양성자-전자 모델과 양자역학의 하이젠베르크 불확정성 관계를 조화시키는 것은 어려웠습니다.[25][26] 1928년 오스카 클라인이 발견한 [27]클라인 역설은 전자가 핵 안에 갇혀 있다는 개념에 대해 양자역학적으로 더 많은 이의를 제기했습니다.[25] 원자와 분자의 관찰된 특성은 양성자-전자 가설에서 예상되는 핵 스핀과 일치하지 않았습니다. 양성자와 전자 모두 1/2 ħ의 고유 스핀을 가지고 있습니다. 동일한 종의 동위원소(즉, 동일한 수의 양성자)는 정수 또는 분수 스핀을 모두 가질 수 있습니다. 즉, 중성자 스핀도 분수 스핀이어야 합니다(1/2 ħ). 그러나 중성자의 분수 스핀을 얻기 위해 전자와 양성자의 스핀을 배열하는 방법은 없습니다.

1931년 발터 보테허버트 베커폴로늄알파입자 복사베릴륨, 붕소 또는 리튬에 떨어지면 비정상적으로 투과하는 복사가 생성된다는 사실을 발견했습니다. 방사선은 전기장의 영향을 받지 않았기 때문에 Bothe와 Becker는 감마선이라고 추측했습니다.[28][29] 다음 해 파리에서 열린 Irène Joliot-CurieFrédéric Joliot-Curie는 이 "감마" 방사선이 파라핀이나 다른 수소 함유 화합물에 떨어지면 매우 높은 에너지의 양성자를 방출한다는 것을 보여주었습니다.[30] 케임브리지캐번디시 연구소에 있는 러더퍼드와 제임스 채드윅 모두 감마선 해석으로 확신하지 못했습니다.[31] 채드윅은 새로운 방사선이 양성자와 거의 같은 질량을 가진 전하를 띠지 않은 입자들로 구성되어 있다는 것을 보여주는 일련의 실험을 빠르게 수행했습니다.[32][33][34] 이러한 성질들은 러더퍼드가 가정한 중성자와 일치했습니다. 채드윅은 이 발견으로 1935년 노벨 물리학상을 수상했습니다.[2]

수소, 헬륨, 리튬, 네온 원자에서 핵과 전자 에너지 수준을 묘사하는 모델. 실제로는 원자의 지름보다 핵의 지름이 10만 배 정도 작습니다.

양성자와 중성자로 이루어진 원자핵의 모델은 베르너 하이젠베르크[35][36][37] 등에 의해 빠르게 개발되었습니다.[38][39] 양성자-중성자 모형은 핵 스핀의 퍼즐을 설명했습니다. 1934년 엔리코 페르미에 의해 베타 방사선의 기원은 중성자가 전자와 중성미자를 만들어 양성자로 붕괴하는 베타 붕괴 과정으로 설명되었습니다.[40] 1935년 채드윅과 그의 박사과정 제자 모리스 골드하버는 중성자의 질량을 정확하게 측정한 최초의 사례를 발표했습니다.[41][42]

1934년에 페르미는 원자 번호가 높은 원소에서 방사능을 유도하기 위해 더 무거운 원소에 중성자를 폭격했습니다. 1938년 페르미는 "중성자 조사에 의해 생성된 새로운 방사성 원소의 존재를 입증한 것과 느린 중성자에 의해 야기되는 핵 반응을 발견한 것"으로 노벨 물리학상을 수상했습니다.[43] 1938년 12월 오토 한(Otto Hahn), 리세 마이트너(Lise Meitner), 프리츠 스트라스만(Fritz Strassmann)은 중성자 폭격에 의해 유도된 핵분열, 즉 우라늄 핵이 더 가벼운 원소로 분류되는 것을 발견했습니다.[44][45][46][47] 1945년 한 교수는 무거운 원자핵의 핵분열을 발견한 공로로 1944년 노벨 화학상을 수상했습니다.[48][49][50]

핵분열의 발견은 제2차 세계 대전이 끝날 때까지 원자력과 원자폭탄의 개발로 이어질 것입니다. 핵분열 사건이 중성자를 생성한다면, 이 중성자들 각각은 핵 연쇄 반응으로 알려진 캐스케이드에서 추가적인 핵분열 사건을 일으킬 수 있다는 것을 빠르게 깨달았습니다.[8] 이러한 사건들과 발견들로 인해 페르미는 1942년 시카고 대학교에서 최초의 자생적 원자로시카고 파일-1을 건설하게 되었습니다. 불과 3년 후 맨해튼 프로젝트는 1945년 7월 트리니티 핵실험이라는 최초의 원자폭탄 실험을 할 수 있었습니다.

베타붕괴와 핵의 안정성

중성자는 하나 이상의 양성자를 포함하는 모든 원자핵의 필수 구성 요소입니다. 상호작용하는 양성자는 매력적인 핵 상호작용보다 강한 전자기적 반발력을 가지므로 양성자만 있는 핵은 불안정합니다(양전자 중성자-양성자 비율 참조).[51] 중성자는 핵력을 통해 양성자와 결합하고 핵 안에서 서로 결합하여 양성자 사이의 반발력을 효과적으로 조절하고 핵을 안정화시킵니다.

"자유" 중성자 또는 양성자는 어떤 핵도 없이 독립적으로 존재하는 핵자입니다. 중성자는 양성자보다 약간 더 질량이 크기 때문에 자유 중성자가 양성자로 붕괴되는 것은 허용되지만 자유 양성자의 붕괴는 에너지적으로 허용되지 않습니다. 그러나 양성자와 전자 또는 중성미자가 고에너지로 충돌하면 중성자가 생길 수 있습니다.

그러나 핵 안에 묶여 있는 중성자와 양성자 모두 베타 붕괴 과정에 의해 붕괴될 수 있습니다. 핵 안의 중성자와 양성자는 각각의 핵자가 특정한 계층적 양자 상태로 묶여 있는 양자역학계를 형성합니다. 기본적인 에너지 보존과 양자역학적 제약에 의해 허용될 경우 핵 내 핵 붕괴가 일어날 수 있습니다. 핵의 안정성과 핵종 방사능은 이러한 제약의 결과입니다.

중성자와 양성자 붕괴 반응은 다음과 같습니다.

n p + e +

여기서 p, e ν는 양성자, 전자 및 전자 neutrino 붕괴 생성물 및

p n + e +

여기서 n, e ν은 중성자, 양전자 및 전자 중성미자 붕괴 생성물을 나타냅니다.

방출된 입자, 즉 붕괴 생성물은 핵자가 하나의 양자 상태에서 더 적은 에너지로 떨어지는 반면, 중성자(또는 양성자)는 양성자(또는 중성자)로 변하면서 과잉 에너지를 운반합니다. 이 반응에서 원래 입자는 생성물 입자로 구성되지 않고 생성물 입자는 반응 순간 생성됩니다.

자유 중성자 붕괴

핵 밖에서 자유 중성자는 불안정하며 평균 수명879.6±0.8초(약 14분, 40초)입니다. 따라서 이 과정의 반감기(평균 수명과 ln(2) = 0.693배 차이)는 610.1±0.7초(약 10분, 10초)입니다. 이 붕괴는 양성자의 질량이 중성자의 질량보다 작기 때문에 가능합니다. 질량-에너지 등가성에 의해 중성자가 이렇게 양성자로 붕괴하면 더 낮은 에너지 상태가 됩니다.

자유 중성자의 경우 이 과정의 붕괴 에너지(중성자, 양성자, 전자의 질량 기준)는 0.782343 MeV입니다. 베타 붕괴 전자(중성미자가 사라질 정도로 적은 양의 운동 에너지를 받는 과정에서)의 최대 에너지는 0.782±0.013 MeV에서 측정되었습니다.[54] 후자의 숫자는 중성미자의 상대적으로 작은 정지 질량(이론적으로 최대 전자 운동 에너지에서 빼야 함)을 결정하기에 충분하지 않을 뿐만 아니라 중성미자 질량은 다른 많은 방법으로 제한됩니다.

자유 중성자의 작은 부분(약 1000분의 1)은 동일한 생성물로 붕괴하지만 방출된 감마선 형태의 입자를 추가합니다.


n0

p+
+
e
+
ν
e
+
γ

이 감마선은 방출된 베타 입자와 양성자의 전자기적 상호작용에서 발생하는 "내부 브렘스트랄룽"으로 생각될 수 있습니다. 내부 브렘스트랄룽 감마선 생성은 결합된 중성자의 베타 붕괴의 작은 특징이기도 합니다(아래에서 논의됨).

β 방사선
나타내는 원자핵개략도, 핵에서 빠른 전자의 방출(반중성미자는 생략).
핵에 대한 러더퍼드 모형에서 붉은 구체는 양전하를 띤 양성자였고, 푸른 구체는 순전하를 띠지 않은 전자에 단단히 결합된 양성자였습니다.

삽입된 부분은 오늘날 이해되는 자유 중성자의 베타 붕괴를 보여줍니다. 이 과정에서 전자와 반중성미자가 생성됩니다.

중성자 붕괴의 극소수(약 4ppm)는 소위 "2체(중성자) 붕괴"로, 양성자, 전자 및 반중성미자가 평소와 같이 생성되지만, 전자는 양성자를 탈출하는 데 필요한 13.6eV의 에너지를 얻지 못하고, 따라서 단순히 그것에 묶여 있습니다. 중성 수소 원자("두 물체" 중 하나)로서. 이러한 유형의 자유 중성자 붕괴에서 거의 모든 중성자 붕괴 에너지는 반중성미자(다른 "몸")에 의해 전달됩니다. (수소 원자는 빛의 속도의 약 250 km/s의 속도(붕괴 에너지)/(수소 정지 에너지)에 불과합니다.)

속박 중성자 붕괴

자유 중성자의 반감기는 약 10.2분이지만 핵 내의 대부분의 중성자는 안정적입니다. 핵탄두 모형에 따르면 핵종의 양성자와 중성자는 고유한 양자수를 가진 이산 에너지 준위로 조직된 양자역학계입니다. 중성자가 붕괴하기 위해서는 생성된 양성자가 초기 중성자 상태보다 낮은 에너지로 이용 가능한 상태가 필요합니다. 안정한 핵에서 가능한 낮은 에너지 상태는 모두 채워집니다. 즉, 각 상태는 한 쌍의 양성자에 의해 점유되며, 하나는 스핀이 위로, 다른 하나는 스핀이 아래로 점유됩니다. 이용 가능한 모든 양성자 상태가 채워지면, 파울리 배제 원리는 중성자가 안정된 핵 내에서 양성자로 붕괴되는 것을 허용하지 않습니다. 상황은 원자의 전자와 비슷한데, 여기서 뚜렷한 원자 궤도를 차지하는 전자는 광자의 방출과 함께 배제 원리에 의해 더 낮은, 이미 가득 찬 에너지 상태로 붕괴되는 것을 막습니다.

불안정한 핵 속의 중성자는 위에서 설명한 대로 베타 붕괴에 의해 붕괴될 수 있습니다. 이 경우 붕괴로 인해 양성자가 에너지적으로 허용되는 양자 상태를 이용할 수 있습니다. 이러한 붕괴의 한 예는 반감기가 약 5,730년인 질소-14(양성자 7, 중성자 7)로 붕괴하는 탄소-14(양성자 6, 중성자 8)입니다.

마찬가지로, 중성자에 대해 에너지적으로 허용된 양자 상태를 이용할 수 있다면, 핵 안의 양성자는 중성자로 붕괴할 수 있습니다.

양성자가 핵 안에서 중성자로 변환되는 것은 전자 포획을 통해서도 가능합니다.

p + e n + +

중성자가 과량 포함된 핵에서 중성자에 의한 양전자 포획도 가능하지만, 양전자는 일반적인 물질에서는 비교적 드물고 전자를 만나면 빠르게 소멸되고 어떤 경우에도 양전자에 의해 격퇴되기 때문에 방해를 받습니다. 유사하지만 훨씬 더 드문 반응은 역 베타 붕괴에서 핵자에 의한 중성미자 포획을 포함합니다.

베타붕괴 유형 경쟁

단일 동위원소 구리-64(양성자 29개, 중성자 35개)는 약 12.7시간의 반감기를 가진 경쟁에서 베타 붕괴의 세 가지 유형을 보여줍니다. 이 동위원소는 짝을 이루지 않은 양성자 하나와 짝을 이루지 않은 중성자 하나를 가지고 있어서 양성자나 중성자 둘 중 하나가 붕괴할 수 있습니다. 이 특정 핵종은 양성자 붕괴(양전자 방출, 18% 또는 전자 포획, 43%) 또는 중성자 붕괴(전자 방출, 39%)를 겪을 가능성이 거의 같습니다.

기본입자물리학에 의한 중성자 붕괴

중성자가 중간 무거운 W 보손을 통해 양성자, 전자 및 전자 반중성미자로 베타 붕괴하는 파인만 다이어그램

입자 물리학의 표준 모델의 이론적 틀 안에서 중성자는 아래 쿼크 두 개와 위 쿼크로 구성됩니다. 중입자 보존하는 중성자의 유일한 붕괴 모드는 중성자의 쿼크 중 하나가 약한 상호작용을 통해 바꾸는 것입니다. 중성자의 아래 쿼크 중 하나가 더 가벼운 위 쿼크로 붕괴되는 은 W 보손의 방출에 의해 달성될 수 있습니다. 베타 붕괴에 대한 표준 모델 설명에 따르면 중성자는 양성자(아래 쿼크 하나와 위 쿼크 두 개 포함), 전자 및 전자 반중성미자로 붕괴됩니다.

양성자가 중간 W+
보손을 통해 중성자, 양전자, 전자 중성미자β+
붕괴하는 것에 대한 선행차 파인만 다이어그램.

양성자가 중성자로 붕괴하는 것도 마찬가지로 약한 힘을 통해서 일어납니다. 양성자의 위 쿼크 중 하나가 아래 쿼크로 붕괴되는 것은 W 보손의 방출에 의해 달성될 수 있습니다. 양성자는 중성자, 양전자, 전자 중성미자로 붕괴합니다. 이 반응은 생성된 중성자가 이용할 수 있는 낮은 에너지의 양자 상태를 가진 원자핵 안에서만 일어날 수 있습니다.

고유속성

덩어리

중성자의 질량은 전하가 없기 때문에 질량 분석법으로 직접 측정할 수 없습니다. 그러나 질량분석기로 양성자와 중수소의 질량을 측정할 수 있기 때문에, 중성자의 질량은 중수소 질량에서 양성자 질량을 빼면 추론할 수 있으며, 그 차이는 중성자의 질량과 중수소의 결합 에너지(양의 방출 에너지로 표시됨)입니다. 후자는 중성자를 포획하는 양성자에 의해 중수소가 형성될 때 방출되는 단일 2.224 MeV 감마 광자의 에너지( 를 측정하여 직접 측정할 수 있습니다. 중수소(전체 에너지의 약 0.06%)의 작은 반동 운동 에너지( 도 고려해야 합니다.

감마선의 에너지는 1948년 벨과 엘리엇이 처음으로 한 것처럼 X선 회절 기술에 의해 높은 정밀도로 측정될 수 있습니다. 이 기술에 의한 중성자 질량에 대한 최고의 현대(1986) 값은 Green 등에 의해 제공됩니다.[55] 중성자 질량은 다음과 같습니다.

mneutron = 1.008644904(14) Da

MeV의 중성자 질량 값은 알려진 Da에서 MeV/c로의2 변환의 정확도가 낮기 때문에 덜 정확하게 알려져 있습니다.[56]

mneutron = 939.56563(28) MeV/c2.

중성자의 질량을 결정하는 또 다른 방법은 생성된 양성자와 전자의 운동량을 측정하는 중성자의 베타 붕괴에서 시작됩니다.

전하

중성자의 총 전하량은 0e입니다. 이 영점 값은 실험적으로 테스트되었으며, 중성자 전하에 대한 현재 실험 한계는 -2(8)×10−22 e 또는 [6]-3(13)×10−41 C입니다. 이 값은 실험 불확실성(괄호 안에 표시됨)을 고려할 때 0과 일치합니다. 이에 비해 양성자의 전하는 +1e입니다.

자기 모멘트

중성자가 중성자라고 해도 중성자의 자기모멘트는 0이 아닙니다. 중성자는 전기장의 영향을 받지 않지만 자기장의 영향을 받습니다. 중성자의 자기 모멘트 값은 1940년 캘리포니아 버클리에서 루이스 알바레즈펠릭스 블로흐가 처음으로 직접 측정했습니다.[57] 알바레즈와 블로흐는 중성자의 자기모멘트를 μ= -1.93(2) μ로 결정했고, 여기서 μ핵마그네톤입니다.

중성자의 자기 모멘트는 쿼크 하부 구조와 내부 전하 분포를 나타냅니다.[58] 하드론쿼크 모델에서 중성자는 하나의 위 쿼크(전하 +2/3 e)와 두 개의 아래 쿼크(전하 -1/3 e)로 구성됩니다.[58] 중성자의 자기 모멘트는 구성 쿼크의 자기 모멘트의 합으로 모델링할 수 있습니다.[59] 이 계산은 쿼크들이 디랙 입자들처럼 점처럼 행동하며, 각각의 자기 모멘트를 가진다고 가정합니다. 간단히 말하면, 중성자의 자기 모멘트는 3개의 쿼크 자기 모멘트의 벡터 합과 중성자 내에서 3개의 하전 쿼크의 움직임에 의한 궤도 자기 모멘트에 기인하는 것으로 볼 수 있습니다.

1964년에 표준 모델의 초기 성공 중 하나인 미르자 A.B. Beg, Benjamin W. Lee, Abraham Pais는 중성자 자기 모멘트에 대한 양성자의 비율을 -3/2 (또는 -1.5의 비율)로 계산했으며, 이는 실험값과 3%[60][61][62] 이내로 일치합니다. 이 비율의 측정값은 -1.45989805(34)입니다.[4]

위의 처리는 중성자와 양성자를 비교하여 쿼크의 복잡한 행동을 모델 간에 빼낼 수 있도록 하고, 단지 다양한 쿼크 전하(또는 쿼크 유형)의 영향이 무엇인지 탐구합니다. 이러한 계산은 중성자의 내부가 양성자의 내부와 매우 비슷하다는 것을 보여주기에 충분합니다. 쿼크 구성의 차이를 제외하고 중성자의 아래 쿼크가 양성자의 위 쿼크를 대체합니다.

중성자 자기 모멘트는 3개의 쿼크로 구성된 중입자에 대한 단순한 비상대론적 양자역학적 파동함수를 가정함으로써 대략 계산될 수 있습니다. 간단한 계산은 중성자, 양성자 및 기타 중입자의 자기 모멘트에 대해 상당히 정확한 추정치를 제공합니다.[59] 중성자의 경우, 이 계산의 결과는 중성자의 자기 모멘트가 μ= 4/3 μ - 1/3 μ로 주어지며, 여기서 μμ는 각각 아래 쿼크와 위 쿼크의 자기 모멘트입니다. 이 결과는 쿼크의 고유 자기 모멘트와 궤도 자기 모멘트를 결합하고 세 쿼크가 특정한 지배적인 양자 상태에 있다고 가정합니다.

중입자 자기 모멘트
쿼크 모형의
계산된
( _
관찰된
( _
p 4/u - 1/d 2.79 2.793
n 4/d - 1/u −1.86 −1.913

이 계산 결과는 고무적이지만 위 또는 아래 쿼크의 질량은 핵자 질량의 1/3이라고 가정했습니다.[59] 쿼크의 질량은 사실 핵자의 약 1%에 불과합니다.[63] 이러한 차이는 대부분의 질량이 강한 의 필수적인 측면인 글루온 장, 가상 입자 및 관련 에너지에서 비롯되는 핵자에 대한 표준 모델의 복잡성에서 비롯됩니다.[63][64] 게다가 중성자를 구성하는 쿼크와 글루온의 복잡한 체계는 상대론적 처리를 필요로 합니다.[65] 그러나 핵자자기모멘트는 언급된 모든 효과를 포함하고 쿼크 질량에 대해 더 현실적인 값을 사용하는 첫 번째 원칙에서 수치적으로 계산되었습니다. 계산 결과는 측정과 일치하는 결과를 제공했지만 상당한 컴퓨팅 리소스가 필요했습니다.[66][67]

스핀

중성자는 스핀 1/2 입자, 즉 고유 각운동량1/2 ħ인 페르미온이며, 여기서 ħ은 감소된 플랑크 상수입니다. 중성자가 발견된 후 수년 동안 정확한 스핀은 모호했습니다. 스핀 1/2 디랙 입자라고 가정했지만, 중성자가 스핀 3/2 입자일 가능성은 여전했습니다. 중성자의 자기 모멘트와 외부 자기장의 상호작용을 이용하여 최종적으로 중성자의 스핀을 결정했습니다.[68] 1949년 휴즈와 버지는 강자성 거울에서 반사된 중성자를 측정한 결과, 반사의 각 분포가 스핀 1/2과 일치한다는 사실을 발견했습니다.[69] 1954년 셔우드, 스티븐슨, 번스타인은 중성자 스핀 상태를 분리하기 위해 자기장을 사용하는 스턴-게를라흐 실험에 중성자를 사용했습니다. 그들은 스핀 1/2 입자와 일치하는 두 가지 스핀 상태를 기록했습니다.[68][70]

중성자는 페르미온으로서 파울리 배타원리에 적용되며, 두 개의 중성자는 같은 양자수를 가질 수 없습니다. 이것이 중성자별의 중력에 대항하여 블랙홀을 형성하지 못하게 하는 축퇴 압력의 근원입니다.[71]

전하분포의 구조와 기하학적 구조

2007년에 발표된 모델 독립적인 분석을 특징으로 하는 기사는 중성자가 음전하를 띤 외부, 양전하를 띤 중간, 그리고 음핵을 가지고 있다고 결론지었습니다.[72] 단순화된 고전적 관점에서, 중성자의 음의 "피부"는 중성자가 핵에서 상호작용하는 양성자에 끌리는 것을 돕습니다. 그러나 중성자와 양성자 사이의 주요 인력은 전하를 포함하지 않는 핵력을 통해서입니다.

중성자의 전하 분포에 대한 단순화된 고전적 관점은 또한 중성자 자기 쌍극자가 스핀 각운동량 벡터와 반대 방향을 가리키고 있다는 사실을 "설명"합니다. 이것은 사실상 중성자에게 음전하를 띤 입자와 비슷한 자기 모멘트를 제공합니다. 이것은 전통적으로 중성자의 음의 하위 부분이 더 큰 평균 분포 반경을 가지고 있으므로 평균적으로 코어에 더 가까운 양의 부분보다 입자의 자기 쌍극자 모멘트에 더 크게 기여하는 전하 분포로 구성된 중성자와 조화될 수 있습니다.

전기 쌍극자 모멘트

입자 물리학의 표준 모델은 중성자 내에서 양전하와 음전하의 작은 분리가 영구적인 전기 쌍극자 모멘트로 이어질 것으로 예측합니다.[73] 그러나 예측값은 실험의 현재 민감도를 훨씬 밑돌고 있습니다. 입자 물리학의 몇 가지 해결되지 않은 수수께끼들로부터, 표준 모델이 모든 입자들과 그들의 상호작용에 대한 최종적이고 완전한 설명이 아니라는 것은 명백합니다. 표준 모델을 넘어서는 새로운 이론은 일반적으로 중성자의 전기 쌍극자 모멘트에 대한 훨씬 더 큰 예측으로 이어집니다. 현재 유한 중성자 전기 쌍극자 모멘트를 최초로 측정하려는 실험은 다음과 같이 적어도 4가지가 있습니다.

반중성자

반중성자는 중성자의 반입자입니다. 이것은 반양성자가 발견된 지 1년 후인 1956년 브루스 코크에 의해 발견되었습니다. CPT 대칭은 입자와 반입자의 상대적 특성에 강한 제약을 가하기 때문에 반중성자를 연구하면 CPT 대칭에 대한 엄격한 테스트가 제공됩니다. 중성자와 반중성자의 질량의 분수 차이는 (9±6)×10입니다−5. 차이가 0에서 약 2개의 표준 편차에 불과하기 때문에 CPT 위반에 대한 확실한 증거를 제시하지는 못합니다.[7]

중성자 화합물

다이뉴트론과 테트라뉴트론

CNRS 핵물리학 연구소의 프란시스코 미구엘 마르케스가 이끄는 팀은 베릴륨-14 핵의 붕괴를 관찰한 결과를 바탕으로 4개의 중성자 또는 테트라뉴트론으로 이루어진 안정적인 군집의 존재를 가정했습니다. 현재 이론에 따르면 이러한 군집은 안정적이지 않아야 합니다.

2016년 2월, 도쿄 대학의 일본 물리학자 시모우라 스스무와 동료들은 테트라뉴트론이라고 알려진 것을 처음으로 실험적으로 관찰했다고 보고했습니다.[79] 전 세계 핵물리학자들은 이 발견이 확인된다면 핵물리학 분야에서 획기적인 사건이 될 것이며 핵력에 대한 우리의 이해를 더욱 깊게 할 것이라고 말합니다.[80][81]

디뉴트론은 또 다른 가상의 입자입니다. 2012년 미시건 주립 대학의 아르테미스 스파이루와 동료들은 Be의 붕괴에서 다이뉴트론 방출을 처음으로 관찰했다고 보고했습니다. 디뉴트론 특성은 두 중성자 사이의 작은 방출 각도에 의해 입증됩니다. 저자들은 이 질량 영역에 대한 표준 상호작용을 사용하여 두 중성자 분리 에너지를 쉘 모델 계산과 잘 일치하는 1.35(10) MeV로 측정했습니다.[82]

중성자와 중성자별

극도로 높은 압력과 온도에서 핵자와 전자는 중성자라고 불리는 벌크 중성자 물질로 붕괴한다고 여겨집니다. 이것은 중성자별에서 일어나는 것으로 추정됩니다.

중성자별 내부의 극심한 압력은 중성자를 입방대칭으로 변형시켜 중성자를 더 촘촘하게 채워줄 수 있습니다.[83]

디텍션

(구름 방과 같은) 이온화의 궤적을 찾아 하전 입자를 검출하는 일반적인 방법은 중성자에게는 직접적으로 작용하지 않습니다. 원자를 탄성적으로 흩뜨리는 중성자는 탐지 가능한 이온화 트랙을 만들 수 있지만 실험은 그렇게 간단하지 않습니다. 중성자를 탐지하는 다른 수단은 원자핵과 상호작용하는 것으로 구성되어 더 일반적으로 사용됩니다. 따라서 일반적으로 사용되는 중성자 검출 방법은 주로 중성자 포획 또는 탄성 산란에 의존하는 핵 과정에 따라 분류할 수 있습니다.[84]

중성자 포획에 의한 중성자 검출

중성자를 검출하는 일반적인 방법은 중성자 포획 반응에서 방출되는 에너지를 전기 신호로 변환하는 것입니다. 특정 핵종은 중성자를 흡수할 확률인 중성자 포획 단면이 높습니다. 중성자가 포획되면, 화합물 핵은 더 쉽게 탐지 가능한 방사선을 방출하는데, 예를 들어 알파 입자가 이를 탐지합니다. The nuclides 3
He
, 6
Li
, 10
B
, 233
U
, 235
U
, 237
Np
, and 239
Pu
are useful for this purpose.

탄성산란에 의한 중성자 검출

중성자는 원자핵을 탄성적으로 흩뜨려 타격을 받은 원자핵을 반동시킬 수 있습니다. 운동학적으로 중성자는 무거운 핵보다 수소나 헬륨 같은 가벼운 핵으로 더 많은 에너지를 전달할 수 있습니다. 탄성 산란에 의존하는 검출기를 고속 중성자 검출기라고 합니다. 원자핵을 되감으면 충돌을 통해 더 많은 원자를 이온화하고 여기시킬 수 있습니다. 이러한 방식으로 생성된 전하 및/또는 섬광 광은 검출된 신호를 생성하기 위해 수집될 수 있습니다. 빠른 중성자 검출의 주요 과제는 동일한 검출기에서 감마선에 의해 생성된 잘못된 신호로부터 그러한 신호를 식별하는 것입니다. 특정 무기 신틸레이터 기반 검출기는 본질적으로 별도의 기술 없이 혼합된 방사선장에서 중성자를 선택적으로 검출하기 위해 개발되었지만, 펄스 형태 식별과 같은 방법을 사용하여 중성자 신호와 감마선 신호를 구별할 수 있습니다.

고속 중성자 검출기는 감속기가 필요 없는 장점이 있으므로 중성자의 에너지, 도달 시간 및 특정 경우 발생 방향을 측정할 수 있습니다.

출처 및 생산

자유 중성자는 불안정하지만, 불안정한 아원자 입자 중에서 몇 배나 긴 반감기를 가지고 있습니다. 그들의 반감기는 아직 10분 정도밖에 되지 않기 때문에, 그것들을 지속적으로 생산하는 원천으로부터만 얻을 수 있습니다.

자연 중성자 배경. 자유 중성자의 작은 자연 배경 플럭스는 지구의 모든 곳에 존재합니다. 대기와 깊은 바다 속에서 '중성자 배경'은 우주선과 대기의 상호작용으로 생성된 뮤온에 의해 발생합니다. 이러한 고에너지 뮤온은 물과 토양에서 상당한 깊이까지 침투할 수 있습니다. 거기서 타격 원자핵에서는 다른 반응들 중에서도 중성자가 핵에서 해방되는 분열 반응을 유도합니다. 지각 내에서 두 번째 공급원은 주로 지각 광물에 존재하는 우라늄과 토륨의 자발적인 핵분열에 의해 생성되는 중성자입니다. 중성자 배경은 생물학적 위험이 될 만큼 강하지는 않지만 암흑 물질 입자로 인해 발생할 수 있는 (가설화된) 상호 작용과 같은 매우 드문 사건을 찾는 매우 고해상도 입자 검출기가 중요합니다.[9] 최근 연구에 따르면 뇌우도 최대 수십 MeV의 에너지를 가진 중성자를 생성할 수 있다고 합니다.[87] 최근 연구에 따르면 이 중성자들의 영향력은 검출 고도에 따라−9 10~10−13 pm, pm2 사이에 있는 것으로 나타났습니다. 이러한 중성자의 대부분의 에너지는 초기 에너지가 20 MeV일지라도 1 ms 이내에 keV 범위까지 감소합니다.[88]

우주 광선 뮤온 생성과 중성자 폭발로 중성자를 생성할 만큼 대기가 두껍지만 생성된 중성자로부터 상당한 보호를 제공할 만큼 충분히 두껍지 않은 화성 표면에서 더 강력한 중성자 배경 방사선이 생성됩니다. 이 중성자들은 직접적인 하향 중성자 방사선으로부터 화성 표면 중성자 방사선 위험을 발생시킬 뿐만 아니라 화성 표면에서 반사되는 중성자로 인해 상당한 위험을 발생시킬 수 있으며, 이는 바닥에서 위로 침투하는 반사 중성자 방사선을 발생시킬 것입니다.[89]

연구를 위한 중성자의 원천. 여기에는 특정 유형의 방사성 붕괴(자발적 핵분열중성자 방출)와 특정 핵반응이 포함됩니다. 편리한 핵반응에는 베릴륨 또는 중수소와 같은 특정 핵종의 자연 알파 및 감마 폭격과 같은 탁상 반응과 원자로에서 발생하는 유도 핵분열이 포함됩니다. 또한 우주 방사선 샤워나 가속기 충돌과 같은 고에너지 핵반응도 표적 핵의 붕괴로부터 중성자를 생성합니다. 이러한 방식으로 자유 중성자를 생성하도록 최적화된 작은 (테이블탑) 입자 가속기중성자 발생기라고 합니다.

실제로 가장 일반적으로 사용되는 중성자의 소규모 실험실 소스는 중성자 생산에 전력을 공급하기 위해 방사성 붕괴를 사용합니다. 중성자를 생성하는 방사성 동위원소인 Californium-252는 핵분열당 3.7개의 중성자를 생성하면서 3%의 자발적인 핵분열에 의해 붕괴되고(반생 2.65년), 이 과정에서 중성자 공급원으로 단독으로 사용됩니다. 방사성동위원소에 의해 구동되는 핵반응원(2가지 물질을 포함하는)은 알파 붕괴원과 베릴륨 표적을 사용하거나, 베타 붕괴를 거친 후 감마 붕괴를 거쳐 고에너지 감마선과 일반적인 안정한 베릴륨의 상호작용으로 광중성자를 생성하는 고에너지 감마선의 공급원을 사용합니다. 아니면 중수소중수에 넣은 상태에서 말입니다. 후자의 일반적인 소스는 방사성 안티몬-124 플러스 베릴륨으로 반감기가 60.9일인 시스템으로 원자로에서 중성자와 함께 활성화하여 천연 안티몬(42.8% 안정한 안티몬-123)으로 구성한 다음 중성자 소스가 필요한 곳으로 운반할 수 있습니다.[90]

주요 중성자 연구 시설인 프랑스 그르노블에 있는 프랑스 랑주뱅 연구소(ILL).

핵분열 원자로는 자연적으로 자유 중성자를 생성합니다. 그들의 역할은 에너지를 생성하는 연쇄 반응을 유지하는 것입니다. 강렬한 중성자 방사선중성자 포획의 한 종류인 중성자 활성화 과정을 통해 다양한 방사성 동위원소를 생성하는 데에도 사용될 수 있습니다.

실험용 핵융합로는 폐기물로 자유 중성자를 생성합니다. 그러나 대부분의 에너지를 가지고 있는 것은 바로 이 중성자들이며, 그 에너지를 유용한 형태로 변환하는 것은 어려운 공학적 도전임이 증명되었습니다. 중성자를 생성하는 핵융합로는 방사성 폐기물을 생성할 가능성이 높지만, 핵분열 폐기물의 일반적인 반감기인 10,000년에[91] 비해 붕괴 기간이 비교적 짧은 중성자 활성화된 가벼운 동위원소로 구성되어 있습니다. 이것은 주로 알파를 방출하는 초우라늄 악티니드의 긴 반감기 때문입니다.[92] 일부 핵융합-핵융합 하이브리드아임계 원자로를 유지하거나 유해한 장수명 핵폐기물을 수명이 짧거나 안정적인 핵종으로 핵변환하는 데 도움을 주기 위해 중성자를 사용하는 것이 제안됩니다.

중성자 빔 및 생산 후 보의 변형

중성자 수송을 통해 중성자 소스로부터 자유 중성자 빔을 얻습니다. 강렬한 중성자원에 접근하려면 연구원들은 연구용 원자로분열원을 운영하는 전문 중성자 시설로 가야 합니다.

중성자의 총 전하량이 부족하기 때문에 방향을 잡거나 가속하기가 어렵습니다. 대전된 입자는 전기장이나 자기장에 의해 가속, 감속 또는 편향될 수 있습니다. 이 방법들은 중성자에 거의 영향을 주지 않습니다. 그러나 중성자의 자기 모멘트 때문에 불균일한 자기장을 사용하면 일부 효과를 얻을 수 있습니다. 중성자는 절제, 반사, 속도 선택을 포함한 방법으로 제어할 수 있습니다. 중성자는 광자에 대한 패러데이 효과와 유사한 방법으로 자성 물질을 통한 전달에 의해 편광될 수 있습니다. 6-7 옹스트롬 파장의 차가운 중성자는 자기 거울과 자화된 간섭 필터를 사용하여 높은 수준의 편광 빔에서 생성될 수 있습니다.[93]

적용들

중성자는 많은 핵반응에서 중요한 역할을 합니다. 예를 들어, 중성자 포획은 종종 중성자 활성화초래하여 방사능을 유도합니다. 특히 중성자와 그 행동에 대한 지식은 원자로핵무기 개발에 중요한 역할을 해왔습니다. 우라늄-235플루토늄-239와 같은 원소의 핵분열은 중성자를 흡수하기 때문에 발생합니다.

일반적으로 중성자 회절, 소각 중성자 산란, 중성자 반사 측정을 위한 중성자 산란 설비에는 저온, 열, 고온 중성자 복사가 사용됩니다. 느린 중성자 물질 파동은 반사, 굴절, 회절, 간섭 등 빛의 기하학적, 파동 광학과 유사한 특성을 보입니다.[94] 중성자는 다양한 산란 단면에 의한 원자적 대조, 자기에 대한 민감성, 비탄성 중성자 분광법을 위한 에너지 범위, 물질에 대한 심층 침투 측면에서 X선과 상보적입니다.

속이 빈 유리 모세관 내의 전체 내부 반사 또는 딤플 알루미늄 판으로부터의 반사에 기초한 "중성자 렌즈"의 개발은 중성자 현미경 및 중성자/감마 단층 촬영에 대한 지속적인 연구를 주도했습니다.[95][96][97][98]

중성자의 주요 용도는 물질의 원소로부터 지연된 감마선을 자극하고 촉진하는 것입니다. 이는 중성자 활성화 분석(NAA)과 신속 감마 중성자 활성화 분석(PGNAA)의 기초를 형성합니다. NAA는 원자로의 작은 물질 샘플을 분석하는 데 가장 많이 사용되는 반면, PGNAA는 보어 홀 주변의 지하 암석과 컨베이어 벨트의 산업용 벌크 물질을 분석하는 데 가장 많이 사용됩니다.

중성자 방출기의 또 다른 용도는 빛의 핵, 특히 물 분자에서 발견되는 수소를 검출하는 것입니다. 빠른 중성자가 가벼운 핵과 충돌하면 에너지의 많은 부분을 잃게 됩니다. 중성자 탐사선은 수소 핵에서 반사된 후 느린 중성자가 탐사선으로 돌아오는 속도를 측정함으로써 토양의 수분 함량을 측정할 수 있습니다.

의학요법

중성자 방사선은 침투성과 이온화성을 동시에 가지고 있기 때문에 의학적 치료에 이용될 수 있습니다. 그러나 중성자 방사선은 영향을 받는 지역을 방사능으로 남기는 불행한 부작용을 일으킬 수 있습니다. 따라서 중성자 단층 촬영은 실행 가능한 의료 응용 프로그램이 아닙니다.

고속 중성자 치료법은 암을 치료하기 위해 일반적으로 20 MeV 이상의 고에너지 중성자를 사용합니다. 암의 방사선 치료는 이온화 방사선에 대한 세포의 생물학적 반응을 기반으로 합니다. 방사선이 암 부위에 손상을 주기 위해 작은 세션으로 전달되면 정상 조직은 스스로 복구할 시간을 갖게 되는 반면 종양 세포는 그렇지 못한 경우가 많습니다.[99] 중성자 방사선은 감마 방사선보다 10배 큰 속도로 암이 있는 지역에 에너지를 전달할 수 있습니다.[100]

저에너지 중성자 빔은 을 치료하기 위한 붕소 중성자 포획 치료에 사용됩니다. 붕소 중성자 포획 치료에서 환자는 붕소를 포함하고 표적이 될 종양에 우선적으로 축적되는 약물을 투여받습니다. 그리고 나서 종양은 매우 낮은 에너지의 중성자(열에너지보다 높지만)로 폭격을 받고, 붕소에 있는 붕소-10 동위원소에 의해 포획되어 붕소-11의 여기 상태를 만들고, 붕소-11은 붕괴하여 리튬-7과 악성 세포를 죽일 수 있는 충분한 에너지를 가진 알파 입자를 생성합니다. 하지만 근처 세포를 손상시킬 수 있는 범위가 부족합니다. 이러한 치료법이 암 치료에 적용되기 위해서는 cm당 1000만2 개(10개9) 중성자의 세기를 갖는 중성자원이 선호됩니다. 이러한 플럭스에는 연구용 원자로가 필요합니다.

보호.

자유 중성자에 노출되는 것은 위험할 수 있습니다. 왜냐하면 중성자와 체내 분자의 상호작용은 분자와 원자를 교란시킬 수 있고, 또한 다른 형태의 방사선(양성자와 같은)을 발생시키는 반응을 일으킬 수 있기 때문입니다. 방사선 보호의 일반적인 예방 조치는 다음과 같습니다. 노출을 피하고 가능한 한 소스에서 멀리 떨어져 있으며 노출 시간을 최소로 유지합니다. 하지만 중성자 노출로부터 어떻게 보호할 것인가에 대해서는 특별한 고민이 필요합니다. 알파 입자, 베타 입자 또는 감마선과 같은 다른 유형의 방사선의 경우 원자 번호가 높고 밀도가 높은 물질이 차폐가 잘 되며, 이 자주 사용됩니다. 그러나 이 방법은 알파, 베타, 감마 방사선처럼 중성자의 흡수가 원자 번호에 따라 바로 증가하지 않기 때문에 중성자에게는 적용되지 않습니다. 대신 중성자가 물질과 갖는 특별한 상호작용을 살펴볼 필요가 있습니다(위의 탐지 항목 참조). 예를 들어, 수소가 풍부한 물질은 종종 중성자로부터 보호하기 위해 사용되는데, 일반적인 수소는 중성자를 산란시키고 속도를 늦추기 때문입니다. 이것은 종종 단순한 콘크리트 블록이나 심지어 파라핀이 적재된 플라스틱 블록이 훨씬 더 밀도가 높은 물질보다 중성자로부터 더 나은 보호를 제공한다는 것을 의미합니다. 속도가 느려진 후에는 리튬-6과 같은 2차 포획 방사선을 일으키지 않고 느린 중성자에 대한 친화력이 높은 동위원소로 중성자를 흡수할 수 있습니다.

수소가 풍부한 일반 물핵분열 원자로에서 중성자 흡수에 영향을 미칩니다. 보통 중성자는 일반 물에 너무 강하게 흡수되어 핵분열성 동위원소로 연료를 농축해야 합니다. 핵분열당 생성되는 중성자의 수는 주로 핵분열 생성물에 따라 달라집니다. 평균은 약 2.5~3.0 정도이며, 핵 연쇄 반응을 유지하기 위해서는 적어도 하나는 포획을 회피해야 합니다.) 중수중수소는 중성자에 대한 흡수 친화력이 일반적인 경수소보다 훨씬 낮습니다. 따라서 중수소는 중성자 포획에 비해 핵분열 확률을 높이기 위해 중성자 속도를 늦추기 위해 CANDU형 원자로에 사용됩니다.

중성자온도

열중성자

열 중성자는 실온에서 kT = 0.0253 eV(4.0×10 J)인 맥스웰-볼츠만 분포를 갖는 에너지를 갖는 자유 중성자입니다. 이는 2.2km/s의 특징적인(평균 또는 중위수가 아님) 속도를 제공합니다. '열'이라는 이름은 그들이 스며드는 상온의 가스나 물질의 에너지에서 유래했습니다. (분자의 에너지와 속도는 운동이론 참조). 중성자는 핵과 몇 번의 충돌(종종 10-20 범위)을 거치면 흡수되지 않는 한 이 에너지 수준에 도달합니다.

많은 물질에서 열중성자 반응은 더 빠른 중성자를 포함하는 반응보다 훨씬 더 큰 유효 단면을 보이고, 따라서 열중성자는 충돌하는 원자핵에 의해 더 쉽게 흡수될 수 있습니다. 결과적으로 화학 원소의 더 무겁고 종종 불안정한 동위 원소를 만듭니다.

대부분의 핵분열 원자로중성자 감속기를 사용하여 속도를 줄이거나, 핵분열로 방출된 중성자가 더 쉽게 포획되도록 열처리하여 더 많은 핵분열을 일으킵니다. 고속 증식로라고 불리는 다른 원자로들은 핵분열 에너지 중성자를 직접 사용합니다.

차가운 중성자

차가운 중성자는 액체 중수소와 같은 매우 차가운 물질에서 평형을 이룬 열 중성자입니다. 이러한 냉원은 연구용 원자로 또는 분무원의 감속기에 배치됩니다. 차가운 중성자는 중성자 산란 실험에 특히 유용합니다.[101]

냉중성자와 극중성자(VCN)의 사용은 상대적으로 플럭스가 낮고 광학 부품이 부족하여 열중성자 사용에 비해 다소 제한적이었습니다. 그러나 VCN 사용을 촉진하기 위해 과학계에 더 많은 옵션을 제공하기 위해 혁신적인 솔루션이 제안되었습니다.[102][103]

액체 수소의 온도 정도에서 중성자를 제공하는 차가운 중성자원

초냉중성자

극저온[104] 중성자는 고체 중수소나 초유체 헬륨과 같이 몇 켈빈의 온도에서 중성자 흡수 단면이 낮은 물질에서 차가운 중성자가 비탄성적으로 산란되어 생성됩니다.[105] 대안적인 생산 방법은 도플러 시프트를 이용하는 차가운 중성자의 기계적 감속입니다.[106][107]

핵분열 에너지 중성자

빠른 중성자는 1 MeV (1.6 × 10−13 J)에 가까운 운동 에너지 레벨을 가진 자유 중성자이므로 속도는 ~14000 km/s (광속의 5%)입니다. 이들을 저에너지 열중성자와 구별하기 위해 핵분열 에너지 또는 빠른 중성자, 우주 샤워기나 가속기에서 생성되는 고에너지 중성자라고 이름 붙입니다. 빠른 중성자는 핵분열과 같은 핵 과정에 의해 생성됩니다. 위에서 언급한 바와 같이 핵분열에서 생성된 중성자는 맥스웰-볼츠만의 운동 에너지 분포가 0에서 ~14 MeV, 평균 에너지가 2 MeV, 모드가 0.75 MeV에 불과하므로 절반 이상이 빠르게 자격을 얻지 못합니다(따라서 비옥한 물질에서 핵분열을 시작할 가능성은 거의 없습니다). U, Th 등).

빠른 중성자는 절제라고 불리는 과정을 통해 열 중성자로 만들어질 수 있습니다. 이것은 중성자 감속기로 수행됩니다. 원자로에서는 중성자를 중간 정도로 중화하기 위해 일반적으로 중수, 경수 또는 흑연을 사용합니다.

핵융합 중성자

융합 반응 속도는 온도에 따라 빠르게 증가하여 최대가 될 때까지 증가하다가 점차 떨어집니다. D–T 속도는 핵융합 에너지로 일반적으로 고려되는 다른 반응보다 낮은 온도(약 70 keV, 또는 8억 kelvin)와 높은 값에서 정점을 찍습니다.

DT 핵융합은 14.1MeV운동 에너지를 가지며 광속의 17%로 이동하는 가장 에너지가 강한 중성자를 생성하는 핵융합 반응입니다. D-T 핵융합은 또한 가장 쉽게 점화할 수 있는 핵융합 반응으로 중수소와 삼중수소 핵이 생성될 14.1 MeV의 천 분의 1 수준의 운동 에너지를 가지고 있을 때에도 거의 피크에 가까운 속도에 도달합니다.

14.1 MeV 중성자는 핵분열 중성자보다 약 10배의 에너지를 가지고 있으며, 핵분열이 되지 않는 무거운 핵도 핵분열하는 데 매우 효과적이며, 이러한 고에너지의 핵분열은 저에너지 중성자에 의한 핵분열보다 평균적으로 더 많은 중성자를 생성합니다. 이것은 제안된 토카막 발전로와 같은 D–T 핵융합 중성자원을 초우라늄 폐기물의 변환에 유용하게 만듭니다. 14.1 MeV 중성자는 또한 중성자를 핵에서 풀어냄으로써 중성자를 생성할 수 있습니다.

반면에, 이 매우 높은 에너지의 중성자들은 핵분열이나 분열을 일으키지 않고 단순히 포획될 가능성이 적습니다. 이러한 이유로 핵무기 설계는 D-T 핵융합 14.1 MeV 중성자를 광범위하게 사용하여 더 많은 핵분열을 일으킵니다. 핵융합 중성자는 고갈된 우라늄(우라늄-238)과 같이 보통 핵분열을 일으키지 않는 물질에서 핵분열을 일으킬 수 있으며, 이러한 물질은 열핵무기의 재킷에 사용되어 왔습니다. 핵융합 중성자는 원자로 등급 플루토늄처럼 1차 핵분열 폭탄으로 만들기에 부적합하거나 어려운 물질에서도 핵분열을 일으킬 수 있습니다. 따라서 이러한 물리적 사실은 일반적인 비무기 등급 물질이 특정 핵확산 논의 및 조약에서 우려되는 것이 됩니다.

다른 핵융합 반응은 훨씬 덜 에너지적인 중성자를 생성합니다. D-D 핵융합은 2.45 MeV 중성자와 헬륨-3을 생성하며, 삼중수소와 양성자를 생성하지만 나머지 시간에는 중성자를 생성하지 않습니다. 핵융합은 중성자를 생성하지 않습니다.3

중간 에너지 중성자

열스펙트럼 반응기인 경수로 내의 변환유동

핵분열 에너지 중성자가 느려졌지만 아직 열 에너지에 도달하지 못한 것을 에피더멀 중성자라고 합니다.

포획핵분열 반응 모두에 대한 단면은 종종 상열 에너지 범위의 특정 에너지에서 다중 공진 피크를 갖습니다. 이러한 것들은 대부분의 중성자가 이 범위로 감속하기 전에 흡수되는 고속 중성자 원자로 또는 조절된 열 원자로에서는 덜 중요합니다. 여기서 중핵 중성자는 핵분열성 또는 비옥악티니드 핵종이 아닌 감속재 핵과 대부분 상호작용합니다. 그러나 중금속 핵과 에피써멀 중성자의 상호작용이 더 많은 부분적으로 조절된 원자로에서는 반응성일시적인 변화가 원자로 제어를 더 어렵게 만들 가능성이 더 높습니다.

핵분열 반응에 대한 포획 반응의 비율 또한 플루토늄-239와 같은 대부분의 핵연료에서 더 나쁘고(분열 없이 포획이 더 많다), 이러한 연료를 사용하는 에피써멀 스펙트럼 원자로는 덜 바람직합니다. 포획된 중성자 하나를 낭비할 뿐만 아니라 일반적으로 빠른 중성자로 핵분열할 수 있지만 열 또는 후열 중성자로 핵분열하지 않는 핵종을 생성합니다. 예외는 토륨 사이클우라늄-233으로, 모든 중성자 에너지에서 포획-방출 비율이 좋습니다.

고에너지 중성자

고에너지 중성자는 핵분열 에너지 중성자보다 훨씬 많은 에너지를 가지고 있으며 입자 가속기에 의해 또는 우주선으로부터 대기 중에서 2차 입자로 생성됩니다. 이러한 고에너지 중성자는 이온화가 매우 효율적이며 X선이나 양성자보다 세포 사멸을 일으킬 가능성이 훨씬 높습니다.[108][109]

참고 항목

중성자원

중성자를 포함하는 과정

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