นิวตรอน (neutron) |
สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติิ |
อนุภาคมูลฐานที่ประจุเป็นกลาง มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 10-15 เมตร และมีมวล 1.6749 x 10-27 กิโลกรัม (939.573 MeV/c2) ซึ่งมากกว่ามวลของโปรตอนเล็กน้อย (0.2 เปอร์เซ็นต์) และมากกว่ามวลของอิเล็กตรอน 1,838 เท่าตัว โดยนิวตรอนประกอบขึ้นจากอัปควาร์ก (up quark หรือ u) 1 อนุภาค กับดาวน์ควาร์ก (down quark หรือ d) 2 อนุภาค
นิวตรอนเป็นองค์ประกอบหนึ่งของนิวเคลียสของอะตอม โดยยึดรวมอยู่กับโปรตอน เป็นนิวเคลียสอยู่ตรงกลาง และมีอิเล็กตรอนโคจรรอบนิวเคลียส |
|
องค์ประกอบของนิวตรอน |
|
|
| นอกจากนิวเคลียสของอะตอมไฮโดรเจนแล้ว นิวเคลียสของอะตอมทุกธาตุ ล้วนประกอบด้วยนิวตรอนและโปรตอนทั้งสิ้น นิวเคลียสของอะตอมของแต่ละธาตุอาจมีจำนวนนิวตรอนแตกต่างกันได้เรียกว่า ไอโซโทป เช่น อะตอมไฮโดรเจนมี 3 ไอโซโทป ได้แก่ โพรเทียมหรือไฮโดรเจนธรรมดาซึ่งในนิวเคลียสมีเพียงโปรตอน 1 อนุภาค ดิวเทอเรียมหรือไฮโดรเจนมวลหนักซึ่งในธรรมชาติมีอยู่เพียง 0.015 เปอร์เซ็นต์มีนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน 1 อนุภาคกับนิวตรอนอีก 1 อนุภาค และทริเทียมซึ่งเป็นไอโซโทปที่สังเคราะห์ขึ้น มีนิวเคลียสประกอบด้วยโปรตอน 1 อนุภาคกับนิวตรอน 2 อนุภาค |
|
ไอโซโทป 3 ชนิดของไฮโดรเจน |
|
นิวตรอนที่หลุดเป็นอิสระออกมาจากนิวเคลียสจะคงตัวอยู่ได้ไม่นาน โดยเฉลี่ย 885.7+/-0.8 วินาที (ไม่เกิน 15 นาที) ก็สลายเป็นโปรตอนโดยปล่อยอิเล็กตรอน (e-) กับแอนตินิวทริโน ( )ออกมาด้วย |
|
| นิวตรอนที่อยู่ภายในนิวเคลียสก็เกิดการสลายได้เช่นเดียวกับนิวตรอนอิสระ โดยจะเกิดในกรณีที่นิวเคลียสของอะตอมกัมมันตรังสี เช่น ซีเซียม-137 ซึ่งนิวเคลียสมีนิวตรอนมากเกินไป จะเกิดการสลายกัมมันตรังสี (radioactive decay) โดยนิวตรอนที่มีมากเกินไปสลายทำนองเดียวกับนิวตรอนอิสระ แต่โปรตอนที่เกิดขึ้นยังคงอยู่ในนิวเคลียสและไปเพิ่มจำนวนโปรตอนให้กับนิวเคลียสนั้น ทำให้เกิดการแปรธาตุจากซีเซียม-137 กลายเป็นแบเรียม-137 ซึ่งมีความเสถียรมากขึ้น ส่วนอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นก็ถูกปล่อยออกสู่ภายนอกอะตอมซึ่งเรียกได้อีกอย่างหนึ่งว่าอนุภาคบีตา การสลายเช่นนี้จึงเรียกว่า การสลายให้อนุภาคบีตา (beta decay) |
|
| อะตอมขนาดใหญ่ เช่น เรเดียม-226 หรือยูเรเนียม-238 มีการสลายกัมมันตรังสีแบบให้อนุภาคแอลฟา ซึ่งประกอบด้วยโปรตอน 2 อนุภาคกับนิวตรอน 2 อนุภาค ซึ่งถ้าปล่อยให้อนุภาคแอลฟา ไปกระทบวัสดุที่มีองค์ประกอบเป็นอะตอมธาตุเบา เช่น เบริลเลียม คาร์บอน ออกซิเจน (รวมทั้งไฮโดรเจน) สามารถทำให้เกิดนิวตรอนอิสระออกมาได้ 1x106 ถึง 1x108 อนุภาคต่อวินาที ยกตัวอย่างต้นกำเนิดนิวตรอนชนิดที่ใช้ธาตุเบริลเลียม อนุภาคแอลฟาทุก ๆ 1 ล้านอนุภาคที่ปล่อยเข้าไปกระทบ จะผลิตนิวตรอนอิสระได้ 30 อนุภาค ตามสมการนี้ |
|
| ต้นกำเนิดนิวตรอนอีกแบบหนึ่งอาศัยการสลายกัมมันตรังสีแบบหนึ่งที่เกิดได้กับอะตอมขนาดใหญ่ คือ การแบ่งแยกนิวเคลียส (nuclear fission) เกิดได้จากการปล่อยนิวตรอนอิสระเข้าไปในนิวเคลียสเช่นยูเรเนียม-235 ซึ่งจะจับยึดนิวตรอนนั้นเอาไว้ (neutron capture) กลายเป็นยูเรเนียม-236 ซึ่งจะสลายต่อไปโดยการแบ่งแยกออกเป็น 2 นิวเคลียส คือ นิวเคลียสของอะตอมคริปทอน-92 และแบเรียม-141 พร้อมกับปล่อยพลังงานกับนิวตรอนอีก 2-3 อนุภาคออกมา ซึ่งถ้านิวตรอนที่เกิดใหม่เหล่านี้ไปกระทบนิวเคลียสของอะตอมยูเนียม-235 ได้อีกเรื่อย ๆ ก็สามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่แบ่งแยกนิวเคลียส (fission chain reaction) ได้ ซึ่งเป็นหลักการที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ |
 |
 |
ขั้นตอนการเกิดการแบ่งแยกนิวเคลียสของอะตอมยูเรเนียม-235 |
|
| ต้นกำเนิดนิวตรอนยังมีอีกหลายชนิด เช่น เครื่องเร่งอนุภาค รวมทั้งในธรรมชาติก็คือจากรังสีคอสมิก |
| |
