How big is Neutron?

Neutron to cząstka bez ładunku elektrycznego, występująca razem z protonami w jądrze niemal każdego atomu. Ma około 1,7 femtometra średnicy, wyznaczonej jako dwukrotność jego promienia magnetycznego, który opisuje, jak rozłożony jest jego magnetyzm. Femtometr to milionowa część miliardowej części metra (10⁻¹⁵ metra).

Rozmiar

Neutron nie ma twardej powierzchni. Składa się z trzech mniejszych cząstek zwanych kwarkami, jednego kwarka górnego i dwóch kwarków dolnych, związanych oddziaływaniem silnym, tym samym, które wiąże neutrony i protony w jądro. Kwark górny ma ładunek dodatni, a kwarki dolne mają ładunki ujemne. Wszystkie te ładunki razem się znoszą.

Rozmiar protonu wyznacza się na podstawie rozkładu jego ładunku elektrycznego, ale w przypadku neutronu ta metoda zawodzi. Ładunek dodatni i ujemny neutronu rozkładają się w różny sposób, więc zwykła miara rozmiaru ładunku wychodzi jako liczba ujemna, a ta nie może być szerokością. Zamiast tego fizycy wykorzystują magnetyzm neutronu.

Neutron działa jak maleńki magnes. Particle Data Group, która zbiera światowe pomiary cząstek, podaje średni promień tego magnetyzmu jako 0,864 femtometra, z dokładnością do około 1%. Doświadczenia z rozpraszaniem pokazują też, że neutrony i protony mają mniej więcej taki sam rozmiar.

Porównania rozmiarów

Neutron jest mniej więcej tego samego rozmiaru co proton. Gdy mierzy się je tak samo, na podstawie ich magnetyzmu, promienie obu cząstek różnią się o mniej niż 2%.
Jądro helu, zbudowane z dwóch neutronów i dwóch protonów, ma około 3,4 femtometra średnicy, czyli mniej więcej dwukrotnie więcej niż szerokość pojedynczego neutronu.
Gdyby neutron powiększyć do rozmiarów piłki do koszykówki, jądro najpowszechniejszego rodzaju uranu, które zawiera 146 neutronów i 92 protony, miałoby około 1,6 metra średnicy.
Około 60 miliardów neutronów ułożonych obok siebie zmieściłoby się na szerokości ludzkiego włosa, która wynosi około 0,1 milimetra.

Jak odkryto neutron

W 1930 roku Walther Bothe i Herbert Becker strzelali cząstkami alfa, czyli jądrami helu, do metalu berylu. Beryl emitował silne, przenikliwe promieniowanie, które niektórzy fizycy uznali za promieniowanie wysokoenergetyczne tego samego rodzaju co światło. W 1932 roku James Chadwick, pracujący w Laboratorium Cavendisha w Cambridge w Anglii, wykazał, że to promieniowanie składa się z cząstek obojętnych o masie mniej więcej takiej jak masa protonu. Ernest Rutherford wcześniej sugerował, że takie cząstki mogą istnieć w jądrach, i nazwano je neutronami.

Ponieważ neutron nie ma ładunku, dodatni ładunek jądra go nie odpycha. Dlatego neutrony mogą dotrzeć nawet do najcięższych jąder i je rozszczepić, a odkrycie Chadwicka utorowało drogę do rozszczepienia uranu. Chadwick otrzymał za to odkrycie Nagrodę Nobla z fizyki w 1935 roku.

Wolny neutron

Poza jądrem neutron nie żyje długo. Średnio przetrwa około 15 minut (878 sekund), zanim rozpadnie się na proton, elektron i cząstkę zwaną antyneutrinem. Neutron jest nieco cięższy od protonu, o około 0,14%.