Проектная работа на тему "Нейтроны"

Муниципальное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа села Мальбагуш

Азнакаевского муниципального района РТ

         Районный конкурс школьных проектов с использованием

информационно-коммуникационных технологий на тему:

«Физика вокруг нас»

Тема проекта:

«Нейтроны»

                                                               Выполнил: Харисов Ирек Ильгизович,  

                                                                                  ученик 11 класса МОУ СОШ

                                                                                  с.Мальбагуш Азнакаевского

                                                                                  муниципального района                        

                                                               Руководитель: Хисматова Мавлюда Салямовна

                                                                                        учитель физики МОУ СОШ

                                                                                        с.Мальбагуш Азнакаевского

                                                                                        муниципального района                                                                            

г.Азнакаево

Нейтроны

Нейтро́н — элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов.

  Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном.  

 Нейтрон – не стабильная частица: свободный нейтрон за время около 15 минут распадается на протон, электрон  и нейтрино – частица, лишенная массы покоя.

       Классификация

Нейтроны делятся на  быстрые и  медленные, промежуточные , тепловые и т. д.

    Быстрые нейтроны способны испытывать на ядрах неупругое рассеяние и вызывать эндотермические ядерные реакции.

      Медленные нейтроны в основном упруго рассеиваются на ядрах или вызывают экзотермические ядерные реакции(т.е. реакции идущие с выделением тепла).

    Тепловые нейтроны, проходя через вещество, могут отдавать ему часть своей энергии или забирать какую-то часть себе.

    Холодные нейтроны используют для изучения медленных движений атомов и больших молекул белков и полимеров.

                                   Открытие нейтрона

    К 1932 г. было известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком из соответствующего числа отрицательно заряженных электронов (чтобы в целом атом был электрически нейтрален). Практически вся масса атома сконцентрирована в маленьком ядре. Ядро предполагалось состоящим из протонов и электронов, т.к. протон (также известный как ион водорода H+) был самым легким из известных ядер, а электроны испускались ядрами при бета-распаде.

     В 1920 г. лорд Эрнест Резерфорд постулировал существование нейтральной частицы с массой порядка протонной, которая может возникать в результате захвата электрона протоном. Экспериментальное обнаружение такой частицы затруднялось тем, что практически все имеющиеся на тот момент методы регистрации измеряли заряженные частицы.  

     В 1930 г. немецкий физик Вальтер Боте и его студент Герберт Беккер сделали 1-й важный шаг в поиске нейтрона. Бомбардируя бериллий  α-частицами от полония, они обнаружили (с помощью счетчика Гейгера), что бериллий испускает электрически нейтральное излучение с высокой проникающей способностью. Они интерпретировали это излучение как высокоэнергетические γ-кванты.

     В 1932г При бомбардировке бериллия  α-частицами обнаруживалось какое-то сильно проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как свинцовая пластина в 10-20 см толщиной.

  Ирен Жолио-Кюри и Фредерик Жолио-Кюри предложили, что излучение бериллия выбивает из парафиновой пластины протоны.

1. Они с помощью камеры Вильсона обнаружили эти протоны и по длине пробега оценили их энергию.
2.  Если протоны ускорялись в результате столкновения с γ-квантами, то их энергия должна быть около 55 МэВ.

      Когда Джеймс Чедвик доложил Резерфорду результаты Жолио-Кюри, тот воскликнул «Не верю!». Чедвик повторил эксперименты Жолио-Кюри в Кавендишской лаборатории (Cambridge, England). Помимо парафина, он использовал в качестве мишеней гелий, азот и др. Сравнив энергии отдачи заряженных частиц от разных мишеней, он доказал, что излучение бериллия содержало нейтральную компоненту с массой ≈ массе протона. Он назвал её нейтроном. нейтрон от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он).

      Нейтрон – элементарная частица, не имеет электрического  заряда. Масса нейтрона больше массы протона примерно на 2,5 электронной массы.

            Джеймс Чедвик был удостоен  Нобелевской премии по физике в 1935 году “За открытие нейтрона”

                              Источники нейтронов

1. Интенсивные пучки быстрых нейтронов получаются на ускорителях заряженных частиц в ядерных реакциях (p,n) и (d,pn).
2. Медленные нейтроны могут быть получены на всех типах ускорителей, в том числе на электронных ускорителях в результате реакций (γ,n) при облучении мишеней на тяжелых элементах γ-квантами тормозного излучения электронов.
3. Мощные источники тепловых нейтронов — ядерные реакторы, которые создают внутри замедлителей потоки тепловых нейтронов до 1015 нейтронов/(см2×с).
4. Для получения холодных нейтронов используются замедлители, охлаждаемые до температуры жидкого азота и даже жидкого водорода (20 К).
5. Ультрахолодные нейтроны выводятся из замедлителя резко изогнутыми вакуумными нейтроноводами.

       Направления исследований в физике нейтронов

Фундаментальные исследования

1. Возможность существования тетранейтронов и иных связанных      состояний из одних только нейтронов
2. Поиск возможных нейтрон-антинейтронных осцилляций
3. Поиск электрического дипольного момента нейтрона
4. Изучение свойств сильно нейтроно-избыточных лёгких ядер

   Прикладные исследования

1. Получение и хранение холодных нейтронов
2. Влияние потоков нейтронов на живые ткани и организмы
3. Влияние сверхмощных потоков нейтронов на свойства материалов
4. Изучение распространения нейтронов в различных средах
5. Изучение различных типов структуры в физике конденсированных сред
6. Нейтронно-дифракционный анализ
7. Нейтронно-активационный анализ 

                Нейтроны во Вселенной и околоземном пространстве.

 Вопрос о количестве Нейтронов во Вселенной на ранних стадиях её расширения играет важную роль в космологии. Согласно модели горячей Вселенной, значит. часть первоначально существовавших свободных Нейтронов  при расширении успевает распасться. Часть Нейтронов, которая оказывается захваченной протонами, должна в конечном счёте привести приблизительно к 30%-ному содержанию ядер гелия и 70%-ному — протонов. Экспериментальное определение процентного содержания гелия во Вселенной — одна из критических проверок модели горячей Вселенной. Эволюция звёзд в ряде случаев приводит к образованию нейтронных звёзд (к числу которых относятся, в частности, пульсары). В первичном компоненте космических лучей водород из-за своей нестабильности отсутствуют. Однако взаимодействие частиц космических лучей с ядрами атомов земной атмосферы приводит к генерации водорода в атмосфере. Реакция 14N (n, p) и 14С, вызываемая этими водород,— основной источник радиоактивного изотопа углерода 14С в атмосфере, откуда он поступает в живые организмы; на определении содержания 14С в органических остатках основан радиоуглеродный метод геохронологии. Распад медленных водородов, диффундирующих из атмосферы в околоземное космическое пространство, является одним из источников элементов, заполняющих внутреннюю. область радиационных поясов Земли.

                                    Нейтронная звезда

                     Строение нейтронной звезды.

          Нейтро́нная звезда́ — астрономическое тело, один из конечных продуктов эволюции звёзд, состоит из нейтронной сердцевины и тонкой коры вырожденного вещества с преобладанием ядер железа и никеля.

    Нейтронные звёзды имеют очень малый размер — 20—30 км в диаметре, средняя плотность вещества такой звезды в несколько раз превышает плотность атомного ядра

     Силы тяготения в нейтронных звёздах уравновешиваются давлением вырожденного нейтронного газа, максимальное значение массы нейтронной звезды задаётся пределом Оппенгеймера — Волкова, численное значение которого зависит от (пока ещё плохо известного) уравнения состояния вещества в ядре звезды.

       Магнитное поле на поверхности нейтронных звёзд достигает значения 1012—1013 Гс (гаусс)(для сравнения — у Земли около 1 Гс(гаусс)), именно процессы в магнитосферах нейтронных звёзд ответственны за радиоизлучение пульсаров

      Нейтронные звёзды — одни из немногих астрономических объектов, которые были теоретически предсказаны до открытия наблюдателями. Ещё в 1933 году астрономы Вальтер Бааде и Фриц Цвикки высказали предположение, что в результате взрыва сверхновой образуется нейтронная звезда. Но первое общепризнанное наблюдение нейтронной звезды состоялось только в 1968 году, с открытием пульсаров.

   Существуют теоретические предпосылки того, что возможно перерождение нейтронных звезд в кварковые.

                          Нейтроны на Марсе

Пояснение: Занимаясь поиском воды на Марсе, исследователи построили эту карту, показывающую в искусственных цветах распределение нейтронов с высокой энергией по всей поверхности Красной Планеты, используя данные детекторов на борту орбитальной космической станции Марс Одиссей.

Но какое отношение имеют нейтроны к воде спросите вы ? Когда космические лучи из межпланетного пространства проникают сквозь тонкую марсианскую атмосферу и достигают поверхности, они взаимодействуют с веществом в верхнем слое почвы, рассеивая нейтроны обратно, в космос. Но если марсианская почва содержит водород, он сильно поглощает рассеянные нейтроны с высокой энергией. Отслеживая изменения в поглощении, детекторы нейтронов могут с орбиты определять изменения содержания водорода в поверхностном слое. Содержание водорода может служить для грубой оценки количества замерзшей воды (H20), в этом состоянии скорее всего находится водород вблизи поверхности Марса. Синим цветом на этой карте отмечены места с повышенной концентрацией водорода. Присутствие водяного льда в околополярных областях Марса не удивительно, однако значительные количества льда обнаружены и на более низких широтах. Вероятно, при таянии этого приповерхностного льда образуются марсианские овраги.

          В 2011 году США намерен отправить к Марсу научную лабораторию.

1. В 2011 году США намерен отправить к Марсу научную лабораторию, оснащенную российским детектором нейтронов. Об этом сообщили в Федеральном космическом агентстве по итогам переговоров между главой Роскосмоса Анатолием Перминовым и администратором NASA Чарльзом Болденом.

              РОССИЙСКИЙ НЕЙТРОННЫЙ ДЕТЕКТОР ДАН (Динамическое Альбедо Нейтронов)  

       Альбедо - характеристика отражательных свойств поверхности какого-либо тела: отношение потока излучения, рассеиваемого поверхностью, к потоку, падающему на неё.

     В астрономии понятие Албедо обобщается и рассматривается как характеристика несамосветящегося небесного тела в целом.

                                                  Цель и Назначение

    Целью работ по проекту ДАН является разработка, на базе наработок проекта ХЕНД и изготовление аппаратуры ДАН, для установки на мобильную лабораторию MSL проекта НАСА и проведения, в течение 2009 — 2012 гг., исследований содержания в грунте Марса воды вдоль трассы движения аппарата с пространственным разрешением около 1м по горизонтали и до 1м в глубину методом активного нейтрон — нейтронного зондирования с использованием нейтронного генератора. Назначение научного комплекса ДАН состоит в обеспечении физических измерений с борта мобильного аппарата (марсохода) альбедных нейтронов высоких и низких энергий производимых в грунте космическими лучами и импульсным нейтронным генератором. 

Принцип работы

 Проведенные наблюдения прибором ХЕНД с орбиты показали, что представляет большой научный интерес проведение исследований нейтронных потоков непосредственно на поверхности Марса. Это позволит привязать данные орбитальных измерений прибора ХЕНД к данным на поверхности и уточнить карты распространенности воды на всем Марсе, а также непосредственно найти участки с наибольшим содержанием воды. Для анализа состава вещества грунта и получения полной картины распределения воды в нем с борта мобильной лаборатории. предложено регистрировать как естественное стационарное, так и искусственное динамическое нейтронное альбедо, генерируемое искусственным источником нейтронов.

       Геометрическое альбедо Марса-0,15 ,а Сферическое альбедо -   0,16.

                          Гигантский        нейтронный телескоп

Гигантский телескоп, спрятанный в снегах Южного полюса, сможет однажды передать картину центра Земли.

В соответствии с новейшими вычислениями, новый инструмент измерений под названием «Ледяной Куб» (IceCube) позволит получить картину железного ядра Земли, окруженного легкой каменистой мантией.

Изначально подобная система разрабатывалась для наблюдения и детектирования субатомных частиц – нейтронов, которые настолько неуловимы, что могут свободно проникать через любое тело нашей планеты. Однако, это не мешает «Ледяному Кубу» регистрировать их.

Система состоит из тысячи детекторов и в общей сложности занимает 1 км2 ледяной поверхности. Детекторы, направленные к центру Земли, регистрируют характерное излучение синего спектрального диапазона, позволяющее делать выводы относительно числа нейтронов, прошедших через всю толщину земной мантии и затормозивших в толще арктического льда.

Основной же целью является регистрация нейтронов от космических объектов, таких как гигантские черные дыры. В исследованиях поверхность земли служит своего рода щитом от нежелательных помех других космических частиц. Некоторые нейтроны имеют сверхвысокую энергию (свыше 10 триллионов эВ), которая в миллион раз больше ядерной энергии. Но все же большая их доля останавливается мантией и железным ядром земли.

Астрономы надеются со временем обнаружить достаточно мощный источник нейтронного излучения от космического объекта, который, пройдя сквозь всю поверхность Земли, позволит изучить его структуру.

Однако до сих пор «Ледяной Куб» не смог обнаружить достаточно сильных источников излучения. Именно поэтому создатели телескопа работают над модулем, который позволит использовать диффузионное свечение нейтронов в верхних слоях атмосферы, претерпевающих столкновение с протонами и другими космическими частицами.

Особенность данной системы состоит в возможности исследования не только далеких внеземных объектов, но и нашей планеты. Высокоточные изображения смогут дать информацию о сейсмических волнах, очертании земного ядра, ну и конечно помогут в поиске галактических черных дыр.

                                    Нейтро́нное ору́жие 

   Нейтро́нное ору́жие — разновидность ядерного оружия, у которого искусственно увеличена доля энергии взрыва, выделяющаяся в виде нейтронного излучения для поражения живой силы, вооружения противника и радиоактивного заражения местности при ограниченных поражающих воздействиях ударной волны и светового излучения. Из-за быстрого поглощения нейтронов атмосферой малоэффективны нейтронные боеприпасы большой мощности; эквивалентный тоннаж нейтронных боезарядов обычно не превышает нескольких килотонн и их относят к тактическому ядерному оружию.

Нейтронное оружие, как и другие виды ядерного оружия, является неизбирательным оружием массового поражения.

                                               Конструкция

Нейтронный заряд конструктивно представляет собой обычный ядерный заряд малой мощности, к которому добавлен блок, содержащий небольшое количество термоядерного топлива (смесь дейтерия и трития с большим содержанием последнего, как источника быстрых нейтронов). При подрыве взрывается основной ядерный заряд, энергия которого используется для запуска термоядерной реакции. Большая часть энергии взрыва при применении нейтронного оружия выделяется в результате запущенной реакции синтеза. Конструкция заряда такова, что до 80 % энергии взрыва составляет энергия потока быстрых нейтронов, и только 20 % приходится на остальные поражающие факторы (ударную волну, электромагнитный импульс, световое излучение).

                                    Действие, особенности применения

   Мощный поток нейтронов не задерживается обычной стальной бронёй и намного сильнее проникает сквозь преграды, чем рентгеновское или гамма-излучение, не говоря уже об альфа- и бета- частицах. В частности, 150 мм броневой стали задерживают до 90 % гамма-излучения и лишь 20 % быстрых нейтронов. Благодаря этому, нейтронное оружие способно поражать живую силу противника на значительном расстоянии от эпицентра взрыва и в бронетехнике, где обеспечивается надёжная защита от поражающих факторов обычного ядерного взрыва. Наиболее сильными защитными свойствами обладают материалы, в состав которых входит водород - например, вода, парафин, полиэтилен, полипропилен и т.д.

     Поражающее действие нейтронного оружия на технику обусловлено взаимодействием нейтронов с конструкционными материалами и радиоэлектронной аппаратурой, что приводит к появлению наведённой радиоактивности и, как следствие, нарушению функционирования. В биологических объектах под действием излучения происходит ионизация живой ткани, приводящая к нарушению жизнедеятельности отдельных систем и организма в целом, развитию лучевой болезни. На людей действует как само нейтронное излучение, так и наведённая радиация. В технике и предметах под действием потока нейтронов могут образовываться мощные и долго действующие источники радиоактивности, приводящие к поражению людей в течение длительного времени после взрыва, на местности наведённая радиоактивность опасна для здоровья человека от нескольких часов до нескольких суток.

    Вопреки распространённому мнению, нейтронный взрыв вовсе не оставляет материальные ценности невредимыми: зона сильных разрушений ударной волной для того же килотонного заряда имеет радиус около 1 км.

Защита.

Естественно, после появления сообщений о разработке нейтронного оружия стали разрабатываться и методы защиты от него. Были разработаны новые типы брони, которая уже способна защитить технику и её экипаж от нейтронного излучения. Для этой цели в броню добавляются листы с высоким содержанием бора, являющегося хорошим поглотителем нейтронов, а в броневую сталь добавляется обеднённый уран (уран с пониженной долей нуклидов 234U и 235U). Кроме того, состав брони подбирается так, чтобы она не содержала элементов, дающих под действием нейтронного облучения сильную наведённую радиоактивность.

Нейтронное оружие и политика

Работы над нейтронным оружием велись в нескольких странах с 1960-х годов. Впервые технология его производства была разработана в США во второй половине 1970-х. Сейчас возможностью выпуска такого оружия обладают также Россия и Франция.

Опасность нейтронного оружия, как и вообще ядерного оружия малой и сверхмалой мощности, заключается не столько в возможности массового уничтожения людей (это можно сделать и многими другими, в том числе давно существующими и более эффективными для этой цели видами ОМП), сколько в стирании грани между ядерной и обычной войной при его использовании. Поэтому в ряде резолюций Генеральной Ассамблеи ООН отмечаются опасные последствия появления новой разновидности оружия массового поражения — нейтронного, и содержится призыв к его запрещению.

       Нейтроны  в  изучении конденсированных сред

   Что такое конденсированные среды?! Этот термин объединяет твердое и жидкое состояние вещества для таких сред характерно упорядоченное расположение частиц.

 Изучать конденсированные среды - это значит проникать в тайны взаимодействия их атомов и молекул. Метод нейтронов имеет ряд особенностей и преимуществ: ведь нейтроны, выступающие в роли инструмента познания , не портят  изучаемый объект, так как слабо взаимодействуют с веществом, обеспечивают глубокое проникновение в среду, открывают пути познания структуры атомных ядер, ибо могут взаимодействовать с этими объектами, дают возможность  изучать магнитные явления в ней, поскольку имеют собственный магнитный момент.

   С помощью нейтронов изучена сложная кристаллическая  структура оксидомедных высокотемпературных сверхпроводников, открытие которых стало важным событием в физике. Именно нейтроны дали возможность определить положение кислорода в компании таких элементов, как иттрий, ртуть, барий , кальций и медь.

  Потоки нейтронов дают возможность основательно изучать строение и свойства аморфных материалов, ценность которых в том, что они имеют лучшие по сравнению с кристаллическими механические и магнитные характеристики.

Нейтроны в науках о Земле.

Нейтроны в науках о Земле применяются сравнительно недавно. С их помощью исследуют текстуру  минералов и горных пород, влияние  внешнего давления на структуры образцов. Эти данные нужны для формирования научных представлений о геологии планеты, предсказания землетрясений и извержения вулканов.

Одно из крупных достижений геофизики современности – представление о тектонике плит.

       Эти представления родились на базе гипотезы Маккензи, Паркера и Моргана. Её основная идея в том, что наружная оболочка – сфера твердой земли (литосфера) – подвергается сильным деформациям только вдоль узких подвижных поясов, которые разделяют литосферу на серию «жестких плит», не подвергающихся заметным искривлениям. Из гипотезы вытекает, что основная  доля тектонической активности проявляется на границах между плитами и вызвана разрастанием  дна океанов. Отсюда вытекает ряд важных следствий, в частности о тектонической активности Земли в ряде ее мест, о дрейфе материков, образовании подводных горных хребтов, глубоководных желобов, островных дуг, высоких плато.

        Иными словами,  нейтроны приносят информацию о характере ориентации составляющих горных пород и по ним воссоздается картина давно существовавших в породах напряжений. Такие исследования выполнены в лаборатории нейтронной физики им.И.М.Франка ОИЯИ совместно с институтом геологии и динамики литосферы Геттингенского университета (Германия). Полученные данные совпали с выводами о направлении дрейфов земных континентов, предсказанными на основе гипотезы.

       Здесь затронут очень небольшой круг разных проблем применения маленькой частицы, называемой нейтрон. Как видим,  круг использования нейтронов в науке, прикладных исследованиях  довольно широк, предметные области  применения различны. Они протягиваются от микромира до просторов Вселенной. Мы чуть приоткрыли дверь в этот большой мир.