Нейтроний - Neutronium

Нейтроний (иногда сокращенно нейтриум , также называемый нейтритом ) - это гипотетическое вещество, состоящее исключительно из нейтронов . Это слово было придумано ученым Андреасом фон Антропофф в 1926 году (до открытия нейтрона в 1932 году ) для гипотетического «элемента с атомным номером ноль» (с нулевыми протонами в его ядре), который он поместил во главе периодической таблицы (обозначенный тире, без символа элемента). Однако значение этого термина со временем изменилось , и со второй половины 20-го века он также использовался для обозначения чрезвычайно плотных веществ, напоминающих нейтронно-вырожденную материю, которая, согласно теории, существует в ядрах нейтронных звезд ; в дальнейшем это будет относиться к вырожденному нейтронию.

В научной фантастике и популярной литературе термин «нейтроний» используется для обозначения воображаемой высокоплотной фазы вещества, состоящей в основном из нейтронов, со свойствами, полезными для рассказа.

Нейтрониевые и нейтронные звезды

Нейтроний используется в популярной физической литературе для обозначения материала, присутствующего в ядрах нейтронных звезд (звезд, которые слишком массивны, чтобы поддерживаться давлением вырождения электронов, и которые коллапсируют в более плотную фазу вещества). Этот термин очень редко используется в научной литературе по трем причинам: существует несколько определений термина «нейтроний»; существует значительная неопределенность в отношении состава вещества в ядрах нейтронных звезд (это может быть нейтронно-вырожденная материя , странная материя , кварковая материя или вариант или комбинация вышеперечисленного); свойства материала нейтронной звезды должны зависеть от глубины из-за изменения давления (см. ниже ), и не ожидается существования резкой границы между корой (состоящей в основном из атомных ядер ) и почти беспротонным внутренним слоем.

Когда предполагается, что материал ядра нейтронной звезды состоит в основном из свободных нейтронов, в научной литературе его обычно называют нейтронно-вырожденным веществом.

Нейтроний и таблица Менделеева

Термин «нейтроний» был введен в 1926 году Андреасом фон Антропофф для предполагаемой формы материи, состоящей из нейтронов без протонов и электронов , которую он поместил в качестве химического элемента с атомным номером ноль во главе своей новой версии периодической теории. стол . Впоследствии он был помещен в середину нескольких спиральных представлений периодической системы для классификации химических элементов, таких как Чарльз Джанет (1928), Эмерсон (1944) и Джон Д. Кларк (1950).

Хотя этот термин не используется в научной литературе ни для конденсированной формы вещества, ни как элемента, были сообщения о том, что, помимо свободного нейтрона , могут существовать две связанные формы нейтронов без протонов. Если бы нейтроний считался элементом, то эти нейтронные кластеры можно было бы рассматривать как изотопы этого элемента. Однако эти сообщения не получили дальнейшего подтверждения.

  • Mononeutron : изолированные нейтронные претерпевает бета - распад с средним временем жизни около 15 минут ( период полураспада около 10 минут), став протон ( ядро из водорода ), в электрон и антинейтрино .
  • Динейтрон: Динейтрон, содержащий два нейтрона, однозначно наблюдался в 2012 году при распаде бериллия-16. Это не связанная частица, но было предложено как чрезвычайно короткоживущее резонансное состояние, создаваемое ядерными реакциями с участием трития . Было высказано предположение о временном существовании в ядерных реакциях, производимых гелионами (ядра гелия 3, полностью ионизированные), которые приводят к образованию протона и ядра, имеющего тот же атомный номер, что и ядро-мишень, но массовое число на две единицы больше. . Гипотеза динейтрона долгое время использовалась в ядерных реакциях с экзотическими ядрами . Некоторые применения динейтрона в ядерных реакциях можно найти в обзорных статьях. Было доказано, что его существование имеет отношение к ядерной структуре экзотических ядер. Система, состоящая всего из двух нейтронов, не связана, хотя притяжения между ними почти достаточно, чтобы сделать их такими. Это имеет некоторые последствия для нуклеосинтеза и количества химических элементов .
  • Тринейтрон: состояние тринейтрона, состоящее из трех связанных нейтронов, не было обнаружено и, как ожидается, не будет существовать даже в течение короткого времени.
  • Тетранейтрон : тетранейтрон - это гипотетическая частица, состоящая из четырех связанных нейтронов. Сообщений о его существовании не тиражировалось.
  • Пентанейтрон: Расчеты показывают, что гипотетическое состояние пентанейтрона, состоящее из кластера из пяти нейтронов, не будет связано.

Хотя это и не называется «нейтроний», то Национальный центр ядерных данных «ы Ядерных карт бумажника списками в качестве своего первого„изотопа“„элемент“с символом п и атомный номер Z  = 0 и массовое число А  = 1. Этого изотопа описываются как распадается на элемент H с периодом полураспада10,24 ± 0,2 мин .

Характеристики

Нейтронная материя эквивалентна химическому элементу с атомным номером 0, то есть эквивалентна разновидности атомов, не имеющих протонов в их атомных ядрах. Он чрезвычайно радиоактивен ; его единственный законный эквивалентный изотоп, свободный нейтрон, имеет период полураспада 10 минут, что примерно вдвое меньше, чем у наиболее стабильного известного изотопа франция . Нейтронное вещество быстро распадается на водород . Нейтронная материя не имеет электронной структуры из-за полного отсутствия электронов. Однако как эквивалентный элемент он может быть классифицирован как благородный газ .

Объемное нейтронное вещество никогда не рассматривалось. Предполагается, что нейтронное вещество появилось бы как химически инертный газ, если бы достаточно было собрано вместе, чтобы рассматривать его как объемный газ или жидкость, из-за общего вида элементов в столбце благородных газов периодической таблицы.

Хотя этого времени жизни достаточно для изучения химических свойств нейтрония, существуют серьезные практические проблемы. Не имея заряда или электронов, нейтроний не будет сильно взаимодействовать с обычными фотонами низкой энергии (видимый свет) и не будет ощущать электростатических сил , поэтому он будет диффундировать в стенки большинства контейнеров, сделанных из обычного вещества. Некоторые материалы способны противостоять диффузии или поглощению ультрахолодных нейтронов из-за ядерно-квантовых эффектов, в частности, отражения, вызванного сильным взаимодействием . При температуре окружающей среды и в присутствии других элементов тепловые нейтроны легко захватываются нейтронами с образованием более тяжелых (и часто радиоактивных) изотопов этого элемента.

Согласно закону идеального газа, нейтронная материя при стандартных давлении и температуре будет менее плотной, чем даже водород, с плотностью всего лишь0,045  кг / м 3 (примерно в 27 раз меньше плотности воздуха и вдвое меньше плотности газообразного водорода ). Ожидается, что нейтронное вещество останется газообразным вплоть до абсолютного нуля при нормальном давлении, так как энергия нулевой точки системы слишком высока для конденсации. Однако нейтронное вещество теоретически должно образовывать вырожденную газообразную сверхтекучую среду при этих температурах, состоящую из переходных пар нейтронов, называемых динейтронами . При чрезвычайно низком давлении эта низкотемпературная сверхтекучая газовая среда должна проявлять квантовую когерентность, приводящую к образованию конденсата Бозе-Эйнштейна . При более высоких температурах нейтронное вещество будет конденсироваться только при достаточном давлении и затвердевать при еще более высоком давлении. Такое давление существует в нейтронных звездах, где экстремальное давление заставляет нейтронную материю вырождаться. Тем не менее, в присутствии атомного вещества сжатого до состояния вырождения электронов , β - распад может быть ингибирован за счет Паулей принципа исключения , таким образом делая свободные нейтроны стабильными. Кроме того, повышенное давление должно вызывать вырождение нейтронов .

По сравнению с обычными элементами нейтроний должен быть более сжимаемым из-за отсутствия электрически заряженных протонов и электронов. Это делает нейтроний более энергетически выгодным, чем атомные ядра (с положительным Z ), и приводит к их превращению в (вырожденный) нейтроний посредством захвата электронов , процесса, который, как полагают, происходит в звездных ядрах в последние секунды жизни массивных звезд , где этому способствует охлаждение через
ν
е
эмиссия. В результате вырожденный нейтроний может иметь плотность4 × 10 17  кг / м 3 , что примерно на 14 порядков плотнее, чем самые плотные известные обычные вещества. Было высказано предположение, что чрезмерное давление порядка100  МэВ / фм 3 могут деформировать нейтроны в кубическую симметрию , позволяя более плотную упаковку нейтронов, или вызвать образование странной материи .

В художественной литературе

Термин нейтроний был популярен в научной фантастике, по крайней мере, с середины 20-го века, например, машина судного дня в « Звездном пути» или коллапсий в романах Х. Бима Пайпера « История будущего человека». Обычно это относится к чрезвычайно плотной и невероятно прочной форме материи. Предположительно вдохновленный концепцией нейтронно-вырожденной материи в ядрах нейтронных звезд , материал, используемый в художественной литературе, имеет самое большее лишь внешнее сходство, обычно изображается как чрезвычайно прочное твердое тело в условиях, подобных Земле , или обладающее экзотическими свойствами, такими как способность управлять временем и пространством. Напротив, все предлагаемые формы материала ядра нейтронной звезды представляют собой жидкости и чрезвычайно нестабильны при более низких давлениях, чем в ядрах звезд . Согласно одному анализу, нейтронная звезда с массой ниже примерно 0,2 массы Солнца взорвется. Нейтроний также появляется в серии «Звездные врата», где это тяжелый элемент, составляющий основу репликаторов в Млечном Пути и галактике Пегас.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Гленденнинг, Н.К. (2000). Компактные звезды: ядерная физика, физика элементарных частиц и общая теория относительности (2-е изд.). Springer . ISBN 978-0-387-98977-8.