Нейтроний - Neutronium

Нейтроний (иногда сокращается до нейтриум,[1] также упоминается как нейтрит[2]) является гипотетической субстанцией, состоящей исключительно из нейтроны. Слово было придумано ученым Андреас фон Антропофф в 1926 г. (до открытие нейтрона ) для гипотетического «элемента с атомным номером ноль» (с нулевыми протонами в его ядре), который он поместил во главе периодической таблицы (обозначен тире, без символа элемента).[3][4] Однако значение термина имеет изменился со временем, а с последней половины 20-го века он также использовался для обозначения чрезвычайно плотных веществ, напоминающих нейтронно-вырожденное вещество теоретически существует в ядрах нейтронные звезды; далее "выродиться нейтроний »будет относиться к этому. Научная фантастика а в популярной литературе часто используется термин «нейтроний» для обозначения очень плотной фазы вещества, состоящей в основном из нейтронов.

Нейтрониевые и нейтронные звезды

Основная статья: Нейтронная звезда

Нейтроний используется в популярной физической литературе для обозначения материала, присутствующего в ядрах нейтронных звезд (звезд, которые слишком массивны, чтобы их поддерживать давление электронного вырождения и которые коллапсируют в более плотную фазу материи). 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 могло быть нейтронно-вырожденное вещество, странное дело, кварковая материя или вариант или комбинация вышеперечисленного); свойства материала нейтронной звезды должны зависеть от глубины из-за изменения давления (см. ниже ) и отсутствие резкой границы между корой (состоящей в основном из атомные ядра ) и почти беспротонный внутренний слой.[нужна цитата ]

Когда предполагается, что материал ядра нейтронной звезды состоит в основном из свободных нейтронов, в научной литературе его обычно называют нейтронно-вырожденным веществом.[5]

Нейтроний и таблица Менделеева

Термин «нейтроний» был введен в 1926 году Андреасом фон Антропофф для предполагаемой формы материи, состоящей из нейтроны без протоны или же электроны, который он поместил как химический элемент из атомный номер ноль во главе его новой версии периодическая таблица.[6] Впоследствии он был помещен в середину нескольких спиральных представлений периодической системы для классификации химических элементов, таких как элементы Чарльз Джанет (1928), Э. И. Эмерсон (1944) и Джон Д. Кларк (1950).

Хотя этот термин не используется в научной литературе ни для конденсированной формы вещества, ни в качестве элемента, были сообщения, что, помимо свободный нейтрон, могут существовать две связанные формы нейтронов без протонов.[7] Если бы нейтроний считался элементом, то эти нейтронные кластеры можно было бы рассматривать как изотопы этого элемента. Однако эти сообщения не получили дальнейшего подтверждения.

  • Мононейтрон: Изолированный нейтрон подвергается бета-распад с средняя продолжительность жизни примерно 15 минут (период полураспада примерно 10 минут), становясь протон (в ядро из водород ), электрон и антинейтрино.
  • Динейтрон: Динейтрон, содержащий два нейтрона, однозначно наблюдался в 2012 году при распаде бериллия-16.[8][9] Это не связанная частица, но было предложено как чрезвычайно короткоживущее резонансное состояние, вызванное ядерными реакциями с участием тритий. Было высказано предположение о временном существовании в ядерные реакции произведено гелионы (ядра гелия 3, полностью ионизированы), что приводит к образованию протон и ядро имея такой же атомный номер как ядро-мишень, но массовое число на две единицы больше. Гипотеза динейтрона использовалась в ядерных реакциях с экзотические ядра длительное время.[10] Некоторые применения динейтрона в ядерных реакциях можно найти в обзорных статьях.[11] Было доказано, что его существование имеет отношение к ядерной структуре экзотических ядер.[12] Система, состоящая только из двух нейтронов, не связана, хотя притяжения между ними почти достаточно, чтобы сделать их такими.[13] Это имеет некоторые последствия для нуклеосинтез и изобилие химических элементов.[11][14]
  • Тринейтрон: состояние тринейтрона, состоящее из трех связанных нейтронов, не было обнаружено и, как ожидается, не будет существовать.[нужна цитата ] даже на короткое время.
  • Тетранейтрон: Тетранейтрон - это гипотетическая частица, состоящая из четырех связанных нейтронов. Сообщения о его существовании не тиражируются.[15]
  • Пентанейтрон: Расчеты показывают, что гипотетическое состояние пентанейтрона, состоящее из кластера из пяти нейтронов, не будет связано.[16]

Хотя это и не называется нейтронием, Национальный центр ядерных данных с Карты Nuclear Wallet перечисляет в качестве своего первого «изотопа» «элемент» с символом п и атомный номер Z = 0 и массовое число А = 1. Этот изотоп описывается как распадающийся на элемент ЧАС с периодом полураспада 10.24±0,2 мин.[17]

Характеристики

Смотрите также: Нейтронная звезда § Свойства

Нейтронная материя эквивалентна химический элемент с атомный номер 0, то есть он эквивалентен разновидности атомов, не имеющих протоны в их атомных ядрах. Это чрезвычайно радиоактивный; его единственный законный эквивалентный изотоп, свободный нейтрон, имеет период полураспада всего 10 минут, что сопоставимо с половиной периода полураспада самого стабильного известного изотопа франций. Нейтронное вещество быстро распадается на водород. Нейтронная материя не имеет электронная структура из-за полного отсутствия электронов. Однако как эквивалентный элемент его можно было бы классифицировать 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 его можно было рассматривать как объемный газ или жидкость, из-за общего вида элементов в столбце благородных газов периодической таблицы.

Хотя этого времени жизни достаточно, чтобы можно было изучить химические свойства 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 чувствовать электростатические силы, так что это будет размытый в стенки большинства емкостей из обычного материала. Некоторые материалы способны противостоять диффузии или поглощению ультрахолодные нейтроны из-за ядерно-квантовых эффектов, в частности, отражение, вызванное сильное взаимодействие. При температуре окружающей среды и в присутствии других элементов, тепловые нейтроны легко пройти захват нейтронов для образования более тяжелых (и часто радиоактивных) изотопов этого элемента.

Нейтронное вещество при стандартных давлении и температуре предсказывается закон идеального газа быть менее плотным, чем даже водород, с плотностью всего лишь 0.045 кг / м3 (примерно в 27 раз меньше плотнее воздуха и вдвое меньше, чем водородный газ ). По прогнозам, нейтронное вещество останется газообразным вплоть до абсолютного нуля при нормальном давлении, поскольку энергия нулевой точки системы слишком высоко, чтобы допустить конденсацию. Однако нейтронное вещество теоретически должно образовывать вырожденный газообразный Конденсат Бозе – Эйнштейна при этих температурах, состоящий из пар нейтронов, называемых динейтроны. 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. Однако в присутствии атомарного вещества, сжатого до состояния электронное вырождение, β− распад может быть подавлен из-за Принцип исключения Паули, что делает свободные нейтроны стабильными. Кроме того, повышенное давление должно вызывать нейтроны. выродиться самих себя.

По сравнению с обычными элементами нейтроний должен быть больше сжимаемый из-за отсутствия электрически заряженный протоны и электроны. Это делает нейтроний более энергетически выгодным, чем (положительно-Z) атомные ядра и приводит к их превращению в (вырожденный) нейтроний через захват электронов, а процесс, который предположительно происходит в звездных ядрах в последние секунды жизни массивные звезды, где этому способствует охлаждение через
ν
е эмиссия. В результате вырожденный нейтроний может иметь плотность 4×1017 кг / м3[нужна цитата ], примерно 14 порядки величины плотнее, чем самые плотные из известных обычных веществ. Было высказано предположение, что чрезмерное давление порядка 100 МэВ /FM3 может деформировать нейтроны в кубическая симметрия, позволяющий более плотно упаковывать нейтроны,[18] или вызвать странное дело формирование.

В художественной литературе

Период, термин нейтроний был популярен в научная фантастика по крайней мере с середины 20 века, такие как Машина судного дня в Звездный путь. Обычно это относится к чрезвычайно плотной и невероятно прочной форме материи. Предположительно, вдохновленный концепцией нейтронно-вырожденный дело в ядрах нейтронные звезды, материал, используемый в художественной литературе, имеет лишь внешнее сходство, обычно изображаемое как чрезвычайно прочное твердое тело под земной шар -подобные условия или обладание экзотическими свойствами, такими как способность управлять временем и пространством. Напротив, все предлагаемые формы нейтронная звезда основной материал жидкости и крайне нестабильны при давление ниже, чем в звездные ядра. Согласно одному анализу, нейтронная звезда с массой ниже примерно 0,2 солнечные массы взорвется.[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Инглис-Аркелл, Эстер (14 апреля 2012 г.). «Нейтриум: самое нейтральное гипотетическое состояние материи в истории». io9.com. Получено 2013-02-11.
  2. ^ Журавлева, Валентина (2005). Баллада о звездах: рассказы о научной фантастике, ультра-воображении и ТРИЗ. Центр технических инноваций, Inc. с. 75. ISBN  978-0-9640740-6-4.
  3. ^ фон Антропов, А. (1926). "Eine neue Form des periodischen Systems der Elementen". Zeitschrift für Angewandte Chemie. 39 (23): 722–725. Дои:10.1002 / ange.19260392303.
  4. ^ Стюарт, П. Дж. (2007). «Столетие Дмитрия Менделеева: Таблицы и спирали, благородные газы и Нобелевские премии». Основы химии. 9 (3): 235–245. Дои:10.1007 / s10698-007-9038-х. S2CID  97131841.
  5. ^ Анджело, Дж. А. (2006). Энциклопедия космоса и астрономии. Издание информационной базы. п. 178. ISBN  978-0-8160-5330-8.
  6. ^ Фон Антропофф, Андреас (10 июня 1926 г.). "Eine neue Form des periodischen Systems der Elemente". Angewandte Chemie (на немецком). 39 (23): 722. Дои:10.1002 / ange.19260392303.
  7. ^ Тимофеюк, Н. К. (2003). «Существуют ли мультинейтроны?». Журнал физики G. 29 (2): L9. arXiv:ядерный / 0301020. Bibcode:2003JPhG ... 29L ... 9Т. Дои:10.1088/0954-3899/29/2/102. S2CID  2847145.
  8. ^ Ширбер, М. (2012). «Ядра испускают парные нейтроны». Физика. 5: 30. Bibcode:2012PhyOJ ... 5 ... 30S. Дои:10.1103 / Физика.5.30.
  9. ^ Spyrou, A .; Kohley, Z .; Baumann, T .; Базин, Д .; и другие. (2012). "Первое наблюдение за распадом динейтрона в основном состоянии: 16Быть". Письма с физическими проверками. 108 (10): 102501. Bibcode:2012PhRvL.108j2501S. Дои:10.1103 / PhysRevLett.108.102501. PMID  22463404.
  10. ^ Bertulani, C.A .; Баур, Г. (1986). "Сечения совпадения диссоциации легких ионов при столкновениях высоких энергий" (PDF). Ядерная физика A. 480 (3–4): 615–628. Bibcode:1988НуФА.480..615Б. Дои:10.1016/0375-9474(88)90467-8. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-20.
  11. ^ а б Bertulani, C.A .; Canto, L.F .; Хусейн, М. С. (1993). «Структура и реакции нейтронно-богатых ядер» (PDF). Отчеты по физике. 226 (6): 281–376. Bibcode:1993ФР ... 226..281Б. Дои:10.1016 / 0370-1573 (93) 90128-Z. Архивировано из оригинал (PDF) 28 сентября 2011 г.
  12. ^ Hagino, K .; Sagawa, H .; Накамура, Т .; Шимура, С. (2009). «Двухчастичные корреляции в дипольных переходах континуума в ядрах Борромео». Физический обзор C. 80 (3): 1301. arXiv:0904.4775. Bibcode:2009PhRvC..80c1301H. Дои:10.1103 / PhysRevC.80.031301. S2CID  119293335.
  13. ^ MacDonald, J .; Муллан, Д. Дж. (2009). «Нуклеосинтез Большого взрыва: сильная ядерная сила встречает слабый антропный принцип». Физический обзор D. 80 (4): 3507. arXiv:0904.1807. Bibcode:2009ПхРвД..80д3507М. Дои:10.1103 / PhysRevD.80.043507. S2CID  119203730.
  14. ^ Kneller, J. P .; Маклафлин, Г.С. (2004). «Влияние связанных динейтронов на BBN». Физический обзор D. 70 (4): 3512. arXiv:astro-ph / 0312388. Bibcode:2004ПхРвД..70д3512К. Дои:10.1103 / PhysRevD.70.043512. S2CID  119060865.
  15. ^ Bertulani, C.A .; Зелевинский, В. (2003). «Является ли тетранейтрон связанной молекулой динейтрон-динейтрон?». Журнал физики G. 29 (10): 2431–2437. arXiv:nucl-th / 0212060. Bibcode:2003JPhG ... 29.2431B. Дои:10.1088/0954-3899/29/10/309. S2CID  55535943.
  16. ^ Бевелаква, Дж. Дж. (1981). «Стабильность частиц пентанейтрона». Письма по физике B. 102 (2–3): 79–80. Bibcode:1981ФЛБ..102 ... 79Б. Дои:10.1016/0370-2693(81)91033-9.
  17. ^ «Карты ядерного кошелька».Национальный центр ядерных данных.
  18. ^ Фелипе Х. Льянес-Эстрада; Гаспар Морено Наварро (2012). «Кубические нейтроны». Буквы A по современной физике. 27 (6): 1250033-1–1250033-7. arXiv:1108.1859. Bibcode:2012MPLA ... 2750033L. Дои:10.1142 / S0217732312500332. S2CID  118407306.
  19. ^ К. Сумиёси; С. Ямада; Х. Сузуки; В. Хиллебрандт (1998). «Судьба нейтронной звезды чуть ниже минимальной массы: взорвется ли она?». Астрономия и астрофизика. 334: 159–168. arXiv:astro-ph / 9707230. Bibcode:1998A&A ... 334..159S. Учитывая это предположение ... минимально возможная масса нейтронной звезды составляет 0,189 (массы Солнца)

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.