Co to jest wiązka neutronowa?

Wiązka neutronowa jest strumieniem neutronów, które są cząsteczkami subatomowymi, które nie mają ładunku elektrycznego i znajdują się wraz z dodatnio naładowanymi protonami w jądrach wszystkich pierwiastków chemicznych z wyjątkiem najczęstszej formy wodoru, która ma tylko proton. Chociaż neutrony są stabilne w jądrze, wolny neutron rozpada się na proton, elektron i inną cząsteczkę zwaną elektronowym antyneutrino; okres półtrwania izolowanych neutronów wynosi nieco ponad 10 minut, co oznacza, że ​​po tym okresie połowa neutronów w danej próbce ulegnie rozkładowi. Wolne neutrony są wytwarzane przez rozszczepienie jądrowe, na przykład w reaktorze jądrowym, i mogą być wytwarzane w akceleratorach cząstek. Wiązka neutronowa ma wiele ważnych zastosowań w nauce o materiałach, medycynie i bezpieczeństwie.

Wiązki neutronowe są zwykle wytwarzane przy użyciu generatorów neutronów, które są akceleratorami cząstek, które wystrzeliwują jony deuteru lub trytu w tarcze zawierające deuter, tryt lub oba. Deuter i tryt są izotopami wodoru zawierającymi odpowiednio jeden i dwa neutrony. Połączenie deuteru i trytu wytwarza neutrony, które można skupić w wiązkę neutronów. Generatory neutronów tego typu mogą być stosunkowo małe i przenośne.

Chociaż większość form promieniowania oddziałuje z chmurami elektronów otaczających jądra atomowe, neutrony, które są elektrycznie obojętne i nie są formą promieniowania elektromagnetycznego, oddziałują tylko z jądrami, które są bardzo małe w stosunku do całego atomu. Wiązka neutronowa jest zatem bardzo przenikliwa i może pokazywać pozycje jąder atomowych w próbce materiału. W przeciwieństwie do promieni rentgenowskich wiązki neutronów mogą łatwo przenikać metale ciężkie, takie jak ołów, ale także oddziaływać z lekkimi pierwiastkami, takimi jak wodór i węgiel. Zgodnie z teorią kwantową wszystkie cząsteczki subatomowe mogą zachowywać się jak fale, więc neutrony mają długości fali. Umożliwia to precyzyjne dostrojenie wiązki neutronowej; zarówno długość fali, jak i energia wiązki mogą być regulowane w celu wykrycia określonych materiałów.

Specjalne właściwości wiązek neutronowych dały początek szerokiemu zakresowi zastosowań, w szczególności jako alternatywna technika obrazowania, którą można zastosować w sytuacjach, w których promieniowanie rentgenowskie nie jest skuteczne. Można je wykorzystać do badania wewnętrznych struktur materiałów, takich jak wykrywanie pęknięć i wnęk w elementach metalowych oraz do określania atomowych i molekularnych struktur związków. Ich zdolność do wykrywania lżejszych pierwiastków, a jednak przechodzenia przez cięższe, umożliwia wykorzystanie wiązek neutronów do kontroli bezpieczeństwa. Mogą na przykład wykrywać ukryte materiały wybuchowe lub materiały radioaktywne. Wiązki neutronów mają również ważne zastosowania medyczne, w szczególności w leczeniu niektórych form raka; radioterapia neutronowa może niszczyć guzy oporne na konwencjonalne zabiegi radioterapii.