Neutroi

Neutroiaren masa ezin da zuzenean masa-espektrometro baten bidez neurtu, ez duelako karga elektrikorik. Bestalde, protoiaren eta deuterioaren masak ezagunak direnez, deuteriotik protoi bat askatuz neutroiaren masa ondorioztatu daiteke. Prozesu horren masa-diferentzia neutroiaren masa eta deuterioaren lotura-energia (B_d) da. Hori zuzenean neur daiteke protoiek neutroi bat xurgatzean askaturiko gamma fotoiaren energia (B_d) neurtuz. Kontuan izanda deuterioaren energia zinetikoaren (E_rd) ekarpena txikia dela: ${\displaystyle m_{n}=m_{d}-m_{p}+B_{d}-E_{rd}}$

Neutroiaren masaren balioa:

m_neutroi = 1.008 644 904(14) u = 939.565 63(28) MeV/c²

Neutroiaren karga 0 e da. Magnitude hori esperimentalki neurtu da eta neutroiaren kargaren limitea -2(8) x 10^-22 e[4]-n ezarri da. Balio hori 0 moduan uler daiteke esperimentuaren neurketen ziurgabetasuna kontuan izanda.

Neutroia partikula neutroa izan arren (ez du karga elektrikorik), bere momentu magnetikoa ez da nulua. Horrenbestez, neutroiak ez du indarrik jasango eremu elektriko baten eraginpean, baina bai, ordea, eremu magnetiko baten kasuan. Neutroiaren momentu magnetikoa bere barne egituraren[5] (quarken egitura eta barneko karga-distribuzioa) ondorio da, eta bere balioa μ_n= -1.93(2) μ_N da, non μ_N magnetoi nuklearra den.

Magnetoi nuklearra konstante fisiko bat da, Nazioarteko Unitate Sisteman honela definituta dagoena:

${\displaystyle \mu _{N}={\frac {e\hbar }{2m_{p}}}}$ non m_p protoiaren masa den.

Neutroiaren quark egitura

Hadroientzako quarken ereduan, neutroia up quark batez eta bi down quarkez osatuta dago. Up quarkaren karga +2/3 e da eta down quarkarena -1/3[5] e, eta beraz, neutroiaren karga elektriko totala 0 da. Eredu horretan, quarkak partikula puntualak dira, eta bakoitzak bere momentu magnetikoa du. Horrela, neutroiaren momentu magnetikoa hiru quarken momentu magnetikoen batura bektorial bezala uler daiteke.

1964. urtean, Mirza A.B. Beg, Benjamin W. Lee eta Abraham Pais-ek neutroiaren eta protoiaren momentu magnetikoen ratioa -3/2 dela kalkulatu zuten teorikoki, balio esperimentalarekin bat datorrena. Kalkulu horretan, mekanika kuantikoaren postulatuen eta Pauliren bazterketa printzipioaren arteko kontraesan baten eraginez, Oscar W. Greenberg-ek quarken kolore-karga proposatu zuen urte berean.

Horrenbestez, teoria horren arabera, protoiaren eta neutroiaren barne-egitura oso antzekoa da, baina protoiaren kasuan quark down bat up batekin ordezkatzen da.

Hurbilketa horrekin eta efektu erlatibistak arbuiatuz, neutroiaren momentu magnetikoaren honako balioa lor daiteke: μ_n = 4/3 μ_d - 1/3 μ_u = -1.86 μ_N (non μ_d eta μ_u down eta up quarken momentu magnetikoak diren, hurrenez hurren). Balio hori neurtutako baliotik nahiko hurbil dago. Hala ere, eredu horretan quarken masak nukleoiaren masaren 1/3 direla onartu da[6], nahiz eta berez nukleoaren masaren % 1 osatzen duten.

Neutroiaren spina 1/2 da, beraz 1/2 ħ momentu angeluar intrintsekoa duen fermioia da (ħ Plancken konstante laburtua da). Fermioia izanik, neutroiek Pauliren esklusio-printzipioa beteko dute, zeinaren arabera bi fermioiren zenbaki kuantiko guztiak ezin dira berdinak izan. Hori da, adibidez, neutroi-izarrak egonkorrak izatea ahalbideratzen duen degenerazio-presioaren iturria.

Antineutroia neutroiaren antipartikula da. Bruce Cork-ek aurkitu zuen 1956. urtean, antiprotoiaren aurkikuntza baino urtebete geroago.

Nukleotik kanpo neutroi askeak ezegonkorrak dira. Horien batez besteko bizitza 879.6±0.7 s-koa da (14 minutu eta 40 segundo inguru), eta ondorioz, erdibizitza-denbora (batez besteko bizitza ln(2) faktoreaz biderkatuz lortzen da ) 610.1±0.7 s (10 minutu eta 10 segundo inguru)[7]. Desintegrazio horren jatorrian protoiaren eta neutroiaren masen arteko diferentzian dago. Lehenaren masa bigarrenarena baino txikiagoa denez, neutroi bat protoi bihurtzea energetikoki baimendua dago. Desintegrazio horri ${\displaystyle \beta ^{-}}$ deritzo eta ondorengo prozesuaren bidez gertatzen da:

${\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}$

non ${\displaystyle n^{0},p^{+},e^{-},{\bar {\nu }}_{e}}$ neutroia, protoia, elektroia eta elektroi-antineutrino diren, hurrenez hurren. Elektroi askearen kasuan, desintegrazioari dagokion energia (neutroi, protoi eta elektroiaren masak kontuan hartuz) 0.782343MeV-ekoa da.

Neutroi askearen beste desintegrazio-bide bat hurrengoa da:

${\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\gamma }$

Ikus daitekenez, prozesu hori aurrekoaren oso antzekoa da, baina desintegratzean fotoi (${\displaystyle \gamma }$) bat ere emititzen da gainontzeko partikulez gain. Prozesu hau aurrekoa baino askoz ere maiztasun gutxiagorekin gertatzen da: neutroi askearen 1000 deuseztapenetik behin gutxi gorabehera

Beta-minus prozesuaren eskema, nukleo batean

Nahiz eta neutroi askeak ezegonkorrak diren, nukleo atomikoak osatzen dituzten neutroi gehienak egonkorrak dira. Geruza-ereduaren arabera nukleoa osatzen duten protoi eta neutroiek sistema kuantiko bat deskribatzen dute. Sistema hori energia maila diskretutan dago antolatuta eta horietako bakoitza zenbaki kuantiko multzo batek definitzen du. Neutroi bat desintegratu ahal izateko, prozesuan sortuko litzatekeen protoiak energia-maila bat izan beharko luke libre neutroiaren energia maila baino energia txikiagorekin. Orokorki, hori ez da posible izaten. Partikularki, nukleo egonkorretan energia baxuagoko maila guztiak beteta daude Pauliren esklusio-printzipioaren eraginez, eta ondorioz, neutroiak ezin dira desintegratu nukleo horietan.

Nukleo ezegonkorretan, ordea, neutroiak beta desintegrazio bitartez desintegra daitezke . Nukleo horietan energetikoki baimendutako egoera kuantiko bat dago libre prozesuan sortutako protoiarentzat . Honen adibide da Karbono-14 (6 protoi eta 8 neutroi) nukleoa, Nitrogeno-14ean (7 protoi eta 7 neutroi) desintegratzen dela. Prozesu horien erdibizitza-denbora 5.730 urtekoa da.

Nukleo ezegonkorretan, aurkako prozesua ere gerta daiteke, protoi bat neutroi bihurtuz ${\displaystyle \beta ^{+}}$desintegrazioaren bitartez. Hau gertatzean, neutroia sortzeaz gain, positroi bat eta elektroi-neutrino bat emititzen dira.

${\displaystyle p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+\nu _{e}}$

Elektroi-harrapaketa bidez ere desintegra daiteke protoia nukleoan.

${\displaystyle p^{+}+e^{-}\rightarrow n^{0}+\nu _{e}}$

Positroi-harrapaketa ere gerta daiteke, baina prozesu hori oso arraroa da, positroiek aldarapen- indarra jasaten baitute nukleoaren kargaren ondorioz, eta horrez gain, deuseztatu egiten dira elektroiekin topo egitean.