نوترون (Neutron): قطعهٔ سازندهٔ پنهان هسته
نوترون کیست و چه ویژگیهایی دارد؟
فرض کنید یک اتم را مانند یک منظومهٔ شمسی بسیار کوچک در نظر بگیریم. خورشید این منظومه، همان هسته است و سیارات، الکترونها هستند. خود هسته هم از ذرات ریزی به نام پروتون و نوترون ساخته شده است. پروتون بار الکتریکی مثبت دارد. اما نوترون، همانطور که از نامش پیداست، خنثی[4] است؛ یعنی فاقد هرگونه بار الکتریکی مثبت یا منفی. این ویژگی، نوترون را به یک ذرهٔ منحصربهفرد و قدرتمند تبدیل کرده است.
نوترون تقریباً هماندازهٔ پروتون است و جرمی بسیار اندک دارد. جرم آن حدود 1.675 × 10-27 کیلوگرم است. برای درک بهتر این عدد کوچک، اگر بخواهیم یک گرم نوترون داشته باشیم، باید حدود 600,000,000,000,000,000,000,000 نوترون را کنار هم بچینیم! این ذرات بهشدت توسط نیروی هستهای قوی در کنار یکدیگر در هسته محکم شدهاند.
نقش نوترون در هسته: چسب هستهای
چرا نوترون اینقدر مهم است؟ تصور کنید چند آهنربا با قطب شمال (مثبت) را بخواهید به هم بچسبانید. آنها یکدیگر را دفع میکنند. پروتونها در هسته دقیقاً همین کار را میکنند؛ چون همه بار مثبت دارند، تمایل دارند از هم دور شوند. اینجاست که نوترونها به عنوان «چسب هستهای» وارد عمل میشوند.
نوترونها با وجود بیبار بودن، تحت تأثیر نیروی هستهای قوی[7] قرار میگیرند. این نیرو که بسیار قدرتمندتر از نیروی دافعهٔ الکتریکی بین پروتونهاست، هم پروتونها و هم نوترونها را به شدت به یکدیگر میچسباند. نوترونها با حضور خود، فاصلهٔ بین پروتونها را افزایش داده و به نیروی قوی اجازه میدهند بر دافعهٔ الکتریکی غلبه کند و هسته را پایدار نگه دارد.
| ویژگی | پروتون | نوترون |
|---|---|---|
| بار الکتریکی | مثبت (+1) | 0 (خنثی) |
| جرم نسبی | حدود 1 | حدود 1 |
| موقعیت | در هسته | در هسته |
| نقش اصلی | تعیین هویت و شماره اتمی عنصر | تثبیت هسته و ایجاد ایزوتوپها[8] |
| پایداری در حالت آزاد | پایدار | ناپایدار (حدود 15 دقیقه) |
ایزوتوپها: زمانی که تعداد نوترونها تغییر میکند
همهٔ اتمهای یک عنصر، تعداد پروتون یکسانی دارند. اما تعداد نوترونهای آنها میتواند متفاوت باشد. به اتمهای یک عنصر با تعداد نوترون متفاوت، ایزوتوپ میگویند. برای مثال، هیدروژن سه ایزوتوپ رایج دارد:
- پروتیوم:$^1_1H$ (1 پروتون، 0 نوترون) – این هیدروژن معمولی است.
- دوتریوم:$^2_1H$ (1 پروتون، 1 نوترون) – به آن «هیدروژن سنگین» هم میگویند و در آب سنگین[9] یافت میشود.
- تریتیوم:$^3_1H$ (1 پروتون، 2 نوترون) – یک ایزوتوپ رادیواکتیو[10] ناپایدار.
ایزوتوپها به ما نشان میدهند که نوترونها چگونه بدون تغییر ماهیت عنصر، خواص هسته را تغییر میدهند. برخی ایزوتوپها پایدار و برخی ناپایدار (رادیواکتیو) هستند.
نوترون در عمل: از ستارگان تا راکتورها
نوترون فقط یک ذرهٔ ساکن در هسته نیست؛ بلکه یک بازیگر فعال در صحنههای بزرگ علمی و فناوری است.
منبع انرژی خورشید و ستارگان: در مرکز خورشید، دما و فشار به قدری بالاست که هستههای هیدروژن با هم برخورد کرده و به هلیوم تبدیل میشوند. در این فرآیند که همجوشی هستهای[11] نام دارد، نوترونها آزاد میشوند و انرژی عظیمی تولید میکنند که حیات روی زمین به آن وابسته است.
راکتورهای هستهای: در این راکتورها، هستههای سنگینی مانند اورانیوم-۲۳۵ با نوترونهای کند بمباران میشوند. وقتی یک نوترون به هسته برخورد میکند، آن را ناپایدار کرده و باعث شکافت هستهای[12] میشود. در شکافت، هسته به دو قسمت سبکتر تقسیم شده، نوترونهای بیشتری آزاد میشود و انرژی زیادی آزاد میگردد. این نوترونهای جدید به نوبهٔ خود باعث شکافت هستههای دیگر میشوند و یک واکنش زنجیرهای[13] کنترل شده را ایجاد میکنند که انرژی الکتریکی تولید میکند.
تاریخگذاری کربن-۱۴: دانشمندان باستانشناس برای تعیین عمر اشیاء قدیمی مانند استخوان یا چوب از این روش استفاده میکنند. پرتوهای کیهانی در جو زمین با اتمها برخورد کرده و نوترون تولید میکنند. این نوترونها با نیتروژن-۱۴ واکنش داده و کربن-۱۴ رادیواکتیو (که ۶ پروتون و ۸ نوترون دارد) میسازند. گیاهان این کربن-۱۴ را جذب میکنند. با مرگ موجود زنده، جذب کربن-۱۴ متوقف شده و مقدار آن با نرخ ثابتی کاهش مییابد. با اندازهگیری میزان باقیماندهٔ کربن-۱۴، عمر شیء تخمین زده میشود.
$^{235}_{92}U + ^1_0n \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3^1_0n + Energy$
در اینجا، یک نوترون ($^1_0n$) به اورانیوم-۲۳۵ برخورد میکند و آن را به باریم و کریپتون و سه نوترون جدید تبدیل میکند. این سه نوترون جدید میتوانند سه شکافت دیگر را آغاز کنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: این یک اشتباه رایج است. نیرویی که ذرات هسته را کنار هم نگه میدارد، نیروی الکتریکی نیست، بلکه نیروی بسیار قویتری به نام نیروی هستهای قوی است. این نیرو هم بر پروتونهای باردار و هم بر نوترونهای بیبار اثر میگذارد و مانند یک چسب فوقالعاده قدرتمند عمل میکند. نیروی الکتریکی فقط بین پروتونها دافعه ایجاد میکند که در فواصل هستهای، نیروی قوی بر آن غلبه میکند.
پاسخ: دیدن تک نوترون با میکروسکوپ معمولی غیرممکن است زیرا اندازهاش بسیار کوچک است. اما بله، میتوان نوترونها را از هسته جدا کرد و به صورت پرتوهای نوترونی تولید کرد. این کار معمولاً در راکتورهای تحقیقاتی یا با استفاده از دستگاههای خاصی به نام شتابدهندهها[14] یا منابع نوترونی انجام میشود. پرتوهای نوترونی کاربردهای زیادی در پزشکی (مانند درمان تومورها)، تصویربرداری از مواد و تحقیقات علمی دارند.
پاسخ: خیر. هویت یک عنصر تنها توسط تعداد پروتونهایش (عدد اتمی) تعیین میشود. تغییر تعداد نوترون فقط ایزوتوپهای مختلف همان عنصر را ایجاد میکند. مثلاً کربن-۱۲ و کربن-۱۴ هر دو کربن هستند (۶ پروتون دارند)، اما اولی ۶ نوترون و دومی ۸ نوترون دارد. با این حال، اگر تعداد پروتونها تغییر کند، مثلاً با اضافه شدن یک پروتون، عنصر کاملاً متفاوتی خواهیم داشت (از کربن به نیتروژن).
پاورقی
[1] واکنشهای هستهای (Nuclear Reactions): تغییراتی که در هستهٔ اتم رخ میدهد و منجر به تبدیل عناصر به یکدیگر یا آزادسازی انرژی میشود.
[2] راکتور هستهای (Nuclear Reactor): دستگاهی که در آن یک واکنش شکافت زنجیرهای کنترل شده صورت میگیرد تا انرژی گرمایی و در نهایت انرژی الکتریکی تولید شود.
[3] تاریخگذاری کربن-۱۴ (Carbon-14 Dating): روشی برای تعیین عمر مواد آلی قدیمی بر اساس نیمهعمر ایزوتوپ رادیواکتیو کربن-۱۴.
[4] خنثی (Neutral): فاقد بار الکتریکی خالص.
[5] پادنوترینو (Antineutrino): ذرهای بنیادی با جرم بسیار ناچیز که در برخی واپاشیهای بتا ساطع میشود.
[6] واپاشی بتا (Beta Decay): نوعی واپاشی رادیواکتیو که در آن یک نوترون به یک پروتون تبدیل شده و یک الکترون و یک پادنوترینو گسیل میکند.
[7] نیروی هستهای قوی (Strong Nuclear Force): نیروی جاذبهٔ بسیار قدرتمند ولی با برد کوتاه که کوارکها را درون نوکلئونها و نوکلئونها (پروتون و نوترون) را درون هسته به هم میچسباند.
[8] ایزوتوپ (Isotope): اتمهای یک عنصر با عدد اتمی یکسان (تعداد پروتون یکسان) اما عدد جرمی متفاوت (تعداد نوترون متفاوت).
[9] آب سنگین (Heavy Water): آبی که در مولکول آن، به جای هیدروژن معمولی (پروتیوم)، ایزوتوپ دوتریوم وجود دارد. فرمول شیمیایی آن D₂O است.
[10] رادیواکتیو (Radioactive): خاصیتی از برخی هستههای ناپایدار که به طور خودبهخود و با گسیل پرتو، واپاشی میشوند تا به حالت پایدار برسند.
[11] همجوشی هستهای (Nuclear Fusion): فرآیندی که در آن دو هستهٔ سبک با هم ترکیب شده و یک هستهٔ سنگینتر را میسازند و انرژی عظیمی آزاد میکنند. منبع انرژی ستارگان.
[12] شکافت هستهای (Nuclear Fission): فرآیندی که در آن یک هستهٔ سنگین (مانند اورانیوم یا پلوتونیوم) به دو یا چند هستهٔ سبکتر تقسیم شده و انرژی و نوترون آزاد میکند.
[13] واکنش زنجیرهای (Chain Reaction): واکنشی که محصولات آن (مثل نوترونها) باعث ادامه و گسترش خود واکنش میشوند.
[14] شتابدهنده (Accelerator): دستگاهی که ذرات باردار (مانند پروتون یا الکترون) را تا سرعتهای بسیار بالا شتاب میدهد تا برای برخورد و تولید ذرات دیگر یا پرتو استفاده شوند.
