نوترون چیست؟ ذره‌ای بدون بار که در هسته اتم قرار دارد.

نوترون چیست؟ ساکن خنثی و قدرتمند هسته اتم

نوترون در یک نگاه: شناسنامه ذره بی‌بار

همه مواد اطراف ما از اتم ساخته شده‌اند. تصور کنید یک اتم مانند یک منظومه کوچک است: الکترون‌ها[3] مانند سیارات به دور مرکز می‌چرخند و هسته مرکزی مانند یک خورشید کوچک و فوق‌العاده سنگین است. این هسته مرکزی از دو نوع ذره تشکیل شده: پروتون[4] با بار مثبت و نوترون با بار خنثی. نوترون تقریباً هم‌جرم پروتون است اما برخلاف آن، هیچ بار الکتریکی ندارد. به همین دلیل است که نام آن از ریشه کلمه‌ای به معنای «خنثی» گرفته شده است.

نقش حیاتی نوترون: چسب هسته اتم

شاید بپرسید اگر پروتون‌ها همه بار مثبت دارند و بارهای همنام همدیگر را دفع می‌کنند، پس چطور در هسته‌ای به این کوچکی کنار هم جمع شده‌اند و هسته متلاشی نمی‌شود؟ اینجا نقش قهرمانانه نوترون آشکار می‌شود. نیرویی بسیار قوی‌تر از نیروی دافعه الکتریکی میان پروتون‌ها وجود دارد به نام نیروی هسته‌ای قوی. نوترون‌ها با وجود بی‌بار بودن، در دام این نیروی قوی قرار می‌گیرند و مانند یک چسب قدرتمند عمل می‌کنند. آن‌ها بین پروتون‌ها قرار می‌گیرند و به پایدار کردن کل هسته کمک می‌کنند. هر چه تعداد پروتون‌ها در یک هسته بیشتر باشد (مانند اتم‌های سنگین)، برای حفظ پایداری به نوترون‌های بیشتری نیاز است.

نوترون و تولد ایزوتوپ‌ها: تنوع در یک خانواده

همه اتم‌های یک عنصر، تعداد پروتون یکسانی دارند. اما تعداد نوترون‌ها در اتم‌های یک عنصر می‌تواند متفاوت باشد. به این اتم‌ها که فقط در تعداد نوترون با هم تفاوت دارند، ایزوتوپ می‌گویند. برای مثال، عنصر کربن را در نظر بگیرید:

• همه اتم‌های کربن 6 پروتون دارند.
• اما بیشتر آن‌ها (98.9٪) 6 نوترون دارند. این ایزوتوپ، کربن-12 نامیده می‌شود (عدد 12 مجموع پروتون و نوترون است).
• تعداد کمی از اتم‌های کربن (1.1٪) 7 نوترون دارند. این ایزوتوپ، کربن-13 است.

ایزوتوپ‌ها از نظر شیمیایی یکسان عمل می‌کنند (چون تعداد الکترون و پروتون یکسان است) اما جرم اتمی متفاوتی دارند. برخی ایزوتوپ‌ها ناپایدار (رادیواکتیو) هستند و با گذشت زمان تجزیه می‌شوند.

از آزمایشگاه تا زندگی: کاربردهای شگفت‌انگیز نوترون

شاید فکر کنید نوترون فقط یک مفهوم تئوری در کتاب علوم است، اما این ذره در فناوری‌های مهمی نقش دارد:

• تولید انرژی پاک: در نیروگاه هسته‌ای، هسته اتم اورانیوم توسط یک نوترون شکافته می‌شود. این شکافت، انرژی گرمایی عظیمی آزاد می‌کند و در عین حال، چند نوترون جدید هم تولید می‌شود. این نوترون‌های جدید به نوبه خود هسته‌های دیگر اورانیوم را می‌شکافند و یک واکنش زنجیره‌ای کنترل‌شده را به راه می‌اندازند که نتیجه آن تولید برق است.

• کاربرد در پزشکی: از پرتوهای نوترون برای درمان برخی انواع سرطان استفاده می‌شود. همچنین از ایزوتوپ‌های رادیواکتیو تولید شده توسط بمباران نوترونی برای تشخیص و تصویربرداری از بیماری‌ها بهره می‌برند.

• باستان‌شناسی و اصالت‌سنجی: دانشمندان با تحلیل ایزوتوپ‌های خاص در یک شیء باستانی یا یک اثر هنری می‌توانند سن آن را تعیین کنند (روش تاریخ‌یابی رادیوکربن با استفاده از ایزوتوپ کربن-14) یا منبع مواد اولیه آن را شناسایی کنند.

داستان کشف: چگونه نوترون پیدا شد؟

در اوایل قرن بیستم، دانشمندان می‌دانستند که جرم هسته بیشتر از مجموع جرم پروتون‌های آن است. ارنست رادرفورد در سال 1920 پیش‌بینی کرد که باید ذره خنثی دیگری در هسته وجود داشته باشد. سال‌ها بعد، در 1932، جیمز چادویک با آزمایشی هوشمندانه وجود آن را ثابت کرد. او مشاهده کرد وقتی ذرات آلفا به بریلیم برخورد می‌کنند، تابشی تولید می‌شود که بار الکتریکی ندارد و می‌تواند پروتون را از پارافین بیرون بزند. چادویک نتیجه گرفت این تابش باید از ذراتی خنثی و هم‌جرم پروتون تشکیل شده باشد. او این ذره را «نوترون» نامید و به خاطر این کشف بزرگ، برنده جایزه نوبل فیزیک شد.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

۱. نوترون (Neutron): ذره‌ای زیراتمی با بار الکتریکی خنثی که همراه با پروتون در هسته اتم قرار دارد.
۲. ایزوتوپ (Isotope): اتم‌های یک عنصر که به دلیل داشتن تعداد نوترون متفاوت، جرم اتمی متفاوتی دارند.
۳. الکترون (Electron): ذره‌ای با بار منفی که در اطراف هسته اتم حرکت می‌کند.
۴. پروتون (Proton): ذره‌ای با بار مثبت که در هسته اتم قرار دارد.
۵. پروتیوم (Protium): ایزوتوپ معمول هیدروژن با هسته متشکل از تنها یک پروتون و بدون نوترون.
۶. پادنوترینو (Antineutrino): ذره‌ای بنیادی با جرم بسیار ناچیز و بدون بار که در برخی واپاشی‌های رادیواکتیو مانند واپاشی بتا منتشر می‌شود.
۷. واپاشی بتا (Beta Decay): نوعی واپاشی رادیواکتیو که در آن یک نوترون به یک پروتون، یک الکترون و یک پادنوترینو تبدیل می‌شود.