ما هي كتلة النيوترون

ما هي كتلة النيوترون؟

تبلغ كتلة النيوترون 1.67493 × 10 كغم، وكتلته تُساوي 1,839 ضعف كتلة الإلكترون بالرغم من أنه أكبر حجماً بمقدار بسيط من البروتون، فيكون بذلك أكبر الجسيمات تحت الذرية كتلةً، ومن الجدير بالذكر أنّ النيوترون جسيم بلا شحنة كهربائية ، ويُعتبر النيوترون أحد المكونات الأساسية في جميع ذرات العناصر عدا ذرة الهيدروجين، ويجدر بالذكر أنّه تُسمى كل من البروتونات والنيوترونات المرتبطة ببعضها بالنويّة أو النيوكليون، وتُشكّل النيوكليونات ما نسبته 99.9% من كتلة الذرة ككلّ.

اكتشاف كتلة النيوترون

تأخّر اكتشاف النيوترون حتى سنة 1932م عندما استخدم الفيزيائي جيمس تشادويك بيانات مشتتةً لحساب كتلة النيوترون -الجسيم المحايد في الذرة-، فمنذ الوقت الذي اكتشف به رذرفورد أنّ العدد الكتلي للذرة يُساوي ضعفيّ العدد الذري لمعظم ذرات العناصر تقريباً، وأنّ كتلة الذرة تتركّز في جزء صغير في مركزها كان الاعتقاد الشائع يقول بأنّ الذرة مكوّنة من إلكترونات وبروتونات فقط.

ظلَّ تشادويك مهتماً بذلك حتّى لفتت تجارب مدام كوري وزوجها نظره؛ إذ قاما بعددٍ من التجارب التي تختصّ بدراسة وتتبع إشعاع ذرات العناصر، فأعاد تجاربهما بهدف البحث عن الجسيم المتعادل الذي يمتلك كتلة مساوية لكتلة البروتون، وكانت تجربته ناجحة، حيث استطاع إثبات وجود النيوترون وأنّ كتلته أكبر من كتلة البروتون بنسبة 0.1%، ونشر اكتشافه في ورقةٍ بحثية بعنوان إمكانية وجود النيوترون سنة 1935م، وربح جائزة نوبل تكريماً لاكتشافه ذلك.

غيّرت هذه الفكرة الجديدة البعيدة عن ثنائية الإلكترون- البروتون التصورات حول الفيزياء الذرية بشكل سريع، حيث اكتشف العلماء بعد ذلك أنّ النيوترون يُمثل مقذوفة مثالية لقصف أنوية الذرات الأخرى، وذلك لأنّه متعادل، إذ اعتُمد هذا المبدأ في دراسة ذرة اليورانيوم ممّا أدى لانشطارها وإنتاج كم هائل من الطاقة كما تنبأ آينشتاين في معادلته: (E = mc).

طريقة حساب كتلة النيوترون رياضياً

يُمكن حساب كتلة النيوترون من خلال طرح كتلة البروتون من كتل نظير الهيدروجين الديوتيريوم؛ والذي يتكون من بروتون وإلكترون واحد فقط، وعليه فإنّ ناتج الطرح يُمثّل كتلة النيوترون، وذلك لأنّ كتلة الإلكترون صغيرة جداً فتُهمل.

لماذا النيوترونات أثقل من البروتونات؟

تُعدّ النيوترونات أثقل قليلاً من البروتونات لسببين؛ وهما كالآتي:

• الفرق بين كتلتي الكوارك العلوي والسفلي: تتكون النيوترونات من زوج من الكواركات (بالإنجليزية: Quarkes) السفلية وكوارك العلوي، أما البروتون فيتكون من زوج من الكواركات العلوية وكوارك سفلي، مما يتسبب بحدوث اختلاف في الكتلة فيما بينهما، إذ لا بدّ من الإشارة إلى أن لكل من الكوارك العلوي والسفلي كتلة مختلفة عن الآخر؛ فالكوارك العلوي كتلته تُساوي 4.8 مليون إلكترون فولت (MeV)، بينما تُساوي كتلة الكوارك السفلي 2 مليون إلكترون فولت (MeV).
• شحنة البروتون: تُؤثّر شحنة البروتون على كتلته أيضاً؛ نظراً إلى تأثير التصحيحات الكمومية بما فيها من فوتوناتٍ افتراضية على كتلة البروتون.