중성자

3. 특징

중성자는 전기적으로 중성이지만, 내부에는 양전하와 음전하가 분포하여 자기 모멘트를 가진다. 자유 중성자는 불안정하여 베타 붕괴를 통해 양성자, 전자, 반전자 중성미자로 붕괴한다. 중성자는 핵력에 의해 원자핵과 상호작용하며, 원자핵과의 충돌을 통해 다양한 핵반응을 일으킨다.

중성자는 스핀 ½을 가지는 페르미온이다.^[80][82] 즉, 고유 각운동량이 ½ħ (여기서 ħ는 환산 플랑크 상수)이다. 파울리 배타 원리를 따르며, 이는 중성자별이 축퇴압으로 중력에 맞서 블랙홀이 되는 것을 막는 원리이다.^[83]

중성자는 전기적으로 중성이지만, 0이 아닌 자기 모멘트를 가진다. 1940년 루이스 월터 알바레스와 펠릭스 블로흐는 중성자의 자기 모멘트를 (여기서 ''μ''_N는 핵 마그네톤)로 측정했다.^[84] 중성자의 자기 모멘트가 음수인 것은 자기 모멘트 방향이 스핀과 반대이기 때문이다.^[85] 쿼크 모형에 따르면 중성자는 한 개의 업 쿼크(전하 +2/3 ''e'')와 두 개의 다운 쿼크(전하 −1/3 ''e'')로 구성되며,^[86] 자기 모멘트는 이들 쿼크의 자기 모멘트와 쿼크의 움직임에 의한 궤도 자기 모멘트의 합으로 나타낼 수 있다.^[87]

자유 중성자는 베타 붕괴를 일으켜 양성자, 전자, 반전자 뉴트리노로 붕괴한다.^[145] 평균 수명은 (약 15분)이며,^[146] 반응식은 다음과 같다.

:$\backslash ce\{n\; ->\; p\{\}\; +\; e^-\{\}\; +\; \backslash bar\{\backslash nu\}\_\{e\}\}+0.78\backslash ,\backslash mathrm\{MeV\}$

중성자와 원자의 상호작용은 매우 짧은 거리에서만 작용하는 핵력에 의해서만 일어난다.^[148]

3. 1. 중성자와 물질의 반응

3. 2. 에너지에 따른 중성자 분포

• 고속중성자(fast neutron): 핵분열 과정에서 주로 생성되며, () 정도의 높은 운동 에너지를 가진다. 속도는 약 (빛의 속도의 약 5%)이다. 감속재를 통해 열중성자로 만들 수 있다.

• 저속중성자(slow neutron): 보다 작은 운동 에너지를 가진다.

• 열중성자(thermal neutron): 주변 환경과 열평형 상태에 있는 중성자로, 실온(약 293.15 K)에서 kT = ()의 맥스웰-볼츠만 분포를 따른다. 특징적인 속도는 2.2 km/s이다. 많은 물질에서 열중성자 반응은 고속중성자 반응보다 훨씬 큰 유효 단면적을 가지므로, 원자핵에 더 쉽게 흡수되어 불안정한 동위원소를 생성한다. 대부분의 핵분열 원자로는 중성자 감속재를 사용하여 핵분열에서 방출되는 중성자를 열화시켜 추가 핵분열을 유도한다.

• 냉중성자(cold neutron): 액체 중수소와 같은 매우 차가운 물질에서 평형을 이룬 열중성자이다. 중성자 산란 실험에 유용하다.^[132]

• 중간에너지 중성자: 감속되었지만 아직 열에너지에 도달하지 않은 핵분열 에너지 중성자를 말한다. 핵반응 단면적은 포획 및 분열 반응 모두에 대해 중간 에너지 범위에서 특정 에너지에서 여러 공명 피크를 갖는 경우가 많다.

• 고에너지 중성자: 핵분열 중성자보다 훨씬 높은 에너지를 가지며, 입자 가속기나 우주선에 의해 생성되는 이차 입자이다. 이온화 효율이 매우 높아 X선이나 양성자보다 세포 사멸을 유발할 가능성이 더 높다.^[139][140]

3. 3. 중성자의 내재적 특성

중성자의 콤프턴 파장 및 환산 콤프턴 파장 은

:

&\frac{\lambda_\text{n}}{2\pi}=0.210\ 019\ 415\ 36(14)\times 10^{-15}\,\mbox{m}\end{align}

이다.^[157][158]

표준 모형은 중성자의 전기 쌍극자 모멘트가 매우 작은 값을 가질 것이라고 예측하지만, 아직 실험적으로 측정되지는 않았다.^[104]

중성자의 반입자는 반중성자이다.^[104]

4. 원자핵 내 중성자

원자핵은 핵력에 의해 결합된 여러 개의 양성자(''Z'')와 여러 개의 중성자(''N'')로 구성된다. 양성자와 중성자는 각각 약 1 달톤의 질량을 갖는다. 원자 번호는 원자의 화학적 성질을 결정하고, 중성자 수는 동위원소 또는 핵종을 결정한다.^[6] 동위원소와 핵종이라는 용어는 종종 동의어로 사용되지만, 각각 화학적 성질과 핵적 성질을 가리킨다.^[6] 동위 원소는 원자 번호는 같지만 중성자 수가 다른 핵종이다. 중성자 수는 같지만 원자 번호가 다른 핵종을 동중성자라고 한다.^[7] 질량수(''A'')는 원자 번호와 중성자 수의 합과 같다. 질량수는 같지만 원자 번호와 중성자 수가 다른 핵종을 동중원소라고 한다.^[7] 핵의 질량은 항상 양성자와 중성자 질량의 합보다 약간 작다. 이 질량 차이는 핵을 분리하는 데 필요한 에너지인 핵 결합 에너지의 질량에 해당한다.^[8]

가장 흔한 수소 원자의 동위원소(화학 기호 ¹H)의 핵은 단일 양성자이다.^[6] 중수소(D 또는 ²H)와 삼중수소(T 또는 ³H)의 핵은 각각 하나의 양성자와 하나 또는 두 개의 중성자로 구성된다.^[6] 다른 모든 유형의 원자핵은 두 개 이상의 양성자와 다양한 수의 중성자로 구성된다. 예를 들어, 일반적인 화학 원소인 납의 가장 흔한 핵종인 ²⁰⁸Pb는 82개의 양성자와 126개의 중성자를 갖는다.^[9] 핵종표에는 알려진 모든 핵종이 포함되어 있으며, 화학 원소는 아니지만 중성자도 이 표에 포함된다.^[10]

4. 1. 베타 붕괴

5. 표준 모형에서의 중성자

입자 물리학의 표준 모형에서, 중성자는 전하가 -⅓e인 두 개의 다운 쿼크와 전하가 +⅔e인 하나의 업 쿼크로 구성된 복합 입자인 하드론이자 바리온이다.^[43] 중성자의 유한한 크기와 자기 모멘트는 중성자가 기본 입자가 아님을 나타낸다.

중성자의 쿼크는 글루온에 의해 매개되는 강력에 의해 결합되어 있다.^[44] 핵력은 더 근본적인 강력의 2차 효과이다.

바리온 수 보존 법칙에 따라, 중성자는 약한 상호 작용을 통해 쿼크 중 하나의 플레이버가 바뀌면서 붕괴한다. 중성자의 다운 쿼크 하나가 W 보손을 방출하여 더 가벼운 업 쿼크로 붕괴하면, 중성자는 양성자(다운 쿼크 하나와 업 쿼크 두 개), 전자, 전자 반중성미자로 붕괴한다. (베타 붕괴)

양성자 역시 W 보손 방출을 통해 업 쿼크 하나가 다운 쿼크로 붕괴하면서 중성자, 양전자, 전자 중성미자로 붕괴할 수 있다. 이 반응은 생성된 중성자가 더 낮은 에너지 양자 상태를 가진 원자핵 내에서만 일어난다.

6. 중성자 화합물

극도로 높은 압력과 온도에서 핵자와 전자는 중성자 물질이라고 불리는 대량의 중성자 물질로 붕괴되는 것으로 여겨진다. 이는 중성자별에서 일어나는 것으로 추정된다.^[112]

중성자별 내부의 극한 압력은 중성자의 형태를 입방 대칭으로 변형시켜 중성자를 더욱 치밀하게 배열할 수 있게 할 수 있다.^[113]

다이뉴트론은 약 10^-22초의 수명을 가진 비속박 동위원소로 간주된다. 이 상태에 대한 최초의 증거는 1965년 Haddock 외에 의해 보고되었다.^[105] 2012년 미시간 주립대학교의 아르테미스 스파이루와 동료들은 ¹⁶Be의 붕괴에서 최초로 직접적인 다이뉴트론 방출을 관찰했다고 보고했다. 다이뉴트론 특성은 두 중성자 사이의 작은 방출각으로 증명된다. 저자들은 이 질량 영역에 대한 표준 상호 작용을 사용하여 쉘 모델 계산과 잘 일치하는 2중성자 분리 에너지를 1.35(10) MeV로 측정했다.^[106]

4개의 중성자, 즉 테트라뉴트론의 비속박 덩어리에 대한 증거는 베릴륨-14 핵의 붕괴에서의 공명,^{[107] 8}He-⁸Be 상호 작용에서,^[108] 그리고 ⁴He 핵의 충돌에서 나타나며, 약 10^-22초의 수명을 가지는 것으로 추정된다.^[109] 이러한 발견은 핵력에 대한 우리의 이해를 심화시켜야 한다.^[110][111]

7. 중성자 검출

전하를 띤 기본 입자를 이온화 흔적(예: 안개상자)을 통해 검출하는 일반적인 방법은 중성자에는 직접 적용되지 않는다. 원자와 탄성 산란하는 중성자는 검출 가능한 이온화 흔적을 생성할 수 있지만, 이러한 실험은 수행하기가 간단하지 않다. 따라서 원자핵과의 상호 작용을 이용하는 중성자 검출 방법이 더 일반적으로 사용된다. 중성자를 검출하는 데 일반적으로 사용되는 방법은 주로 중성자 포획 또는 탄성 산란에 의존하는 핵 과정에 따라 분류할 수 있다.^[114]

중성자 포획을 이용하는 방법은 중성자 포획 반응에서 방출되는 에너지를 전기 신호로 변환하는 것이다. 특정 핵종은 중성자를 흡수할 확률인 높은 중성자 포획 단면적을 가지고 있다. 중성자 포획 시, 복합핵은 더 쉽게 검출 가능한 방사선(예: 알파 입자)을 방출하며, 이는 그 후 검출된다. , , , , , , 핵종은 이러한 목적에 유용하다.

중성자 포획 과정의 단면적은 고에너지에서 저에너지보다 훨씬 낮다. 따라서 중성자 포획에 의한 중성자 검출에는 중성자의 속도를 낮추는 과정이 선행되어야 한다. 이를 위해 일반적으로 두꺼운 폴리에틸렌 판인 중성자 감속재가 사용된다. 감속-포획 방식을 사용하는 중성자 검출기는 감속 과정에서 정보가 손실되기 때문에 중성자 에너지, 정확한 도착 시간 또는 입사 방향을 측정할 수 없다.

탄성 산란을 이용하는 검출기를 고속 중성자 검출기라고 한다. 중성자는 원자핵과 탄성 산란을 일으켜 충돌된 원자핵이 반동을 일으킬 수 있다. 운동학적으로 중성자는 수소나 헬륨과 같은 가벼운 원자핵에 비해 무거운 원자핵에 더 적은 에너지를 전달한다. 반동하는 원자핵은 충돌을 통해 다른 원자들을 이온화시키고 여기시킬 수 있다. 이렇게 생성된 전하 및/또는 신틸레이션 빛을 수집하여 검출 신호를 생성할 수 있다. 고속 중성자 검출의 주요 과제는 동일한 검출기에서 감마선에 의해 생성된 잘못된 신호와 이러한 신호를 구별하는 것이다. 펄스 형태 판별과 같은 방법을 사용하여 중성자 신호와 감마선 신호를 구별할 수 있지만, 특정 무기 신틸레이터 기반 검출기는^[115][116] 추가적인 기술 없이 혼합 방사선장에서 중성자를 선택적으로 검출하도록 개발되었다.

고속 중성자 검출기는 감속재가 필요 없다는 장점이 있으며, 따라서 중성자의 에너지, 도착 시간, 그리고 특정 경우에는 입사 방향을 측정할 수 있다.

8. 중성자원 및 생산

자유 중성자는 불안정하지만, 다른 불안정한 아원자 입자보다 훨씬 긴 반감기(약 10분)를 가져 지속적으로 중성자를 생성하는 원천에서만 얻을 수 있다.^[117]

'''자연적 중성자 배경:''' 지구상에는 소량의 자유 중성자 배경이 존재한다.^[117] 대기와 심해의 "중성자 배경"은 대기와의 상호작용으로 생성되는 뮤온에 의해 발생한다. 고에너지 뮤온은 물과 토양 속으로 깊이 침투하여 원자핵을 타격, 핵 파쇄 반응을 유발해 중성자를 방출한다. 지구 지각 내에서는 지각 광물에 존재하는 우라늄, 토륨의 자발 핵분열이 중성자 생성의 주원인이다. 중성자 배경은 생물학적 위험은 낮지만, 암흑 물질 입자와의 상호작용처럼 드문 사건을 찾는 고해상도 입자 검출기에는 중요하다.^[117] 뇌우도 수십 MeV 에너지의 중성자를 생성할 수 있다는 연구 결과도 있다.^[118]

'''연구를 위한 중성자원:''' 특정 유형의 방사성 붕괴(자발 핵분열, 중성자 방출)와 핵반응이 포함된다. 편리한 핵반응으로는 베릴륨, 중수소 등에 대한 알파선 및 감마선 충격(탁상용 반응), 원자로 내 유도 핵분열 등이 있다. 고에너지 핵반응(우주선 샤워, 가속기 충돌)은 표적 핵 붕괴로 중성자를 생성하며, 이를 위해 최적화된 소형 입자가속기를 중성자 발생기라 한다.

실험실에서 주로 사용되는 소형 중성자원은 방사성 붕괴를 이용한다. 캘리포늄-252는 자발 핵분열(반감기 2.65년) 시 핵분열당 3.7개의 중성자를 생성하여 단독 중성자원으로 쓰인다.

8. 1. 중성자를 생산하는 세계적인 원자로

• 대한민국 - 한국원자력연구원 하나로 30MW, 100MW(개발됨)
• 일본 - 일본원자력연구기구 JRR-3M과 J-PARC
• 미국 - NIST NBSR, ORNL HFIR & SNS, LANL
• 프랑스 - ILL
• 독일 - HMI의 BER, FRM-II

9. 중성자 빔 및 빔 수정

자유 중성자 빔은 중성자원에서 중성자 수송을 통해 얻어진다.^[124] 강력한 중성자원에 접근하려면 연구용 원자로 또는 파쇄원을 운영하는 특수한 중성자 시설로 가야 한다.

중성자는 총 전하가 없기 때문에 조종하거나 가속하기 어렵다.^[124] 대전 입자는 전기장이나 자기장을 이용하여 가속, 감속 또는 편향시킬 수 있지만, 중성자는 중성자의 자기 모멘트 때문에 불균일 자기장을 사용해야 어느 정도 효과를 얻을 수 있다. 중성자는 감속, 반사, 속도 선택 등의 방법으로 제어할 수 있다.^[124] 열중성자는 파라데이 효과와 유사한 방법으로 자성 물질을 통과시켜 편광시킬 수 있다. 6~7옹스트롬 파장의 저온 중성자는 자기 거울과 자화 간섭 필터를 사용하여 높은 편광도의 빔으로 생성할 수 있다.^[124]

10. 응용

중성자는 핵반응에서 중요한 역할을 하며, 특히 원자로와 핵무기 분야에서 중요하다. 우라늄-235나 플루토늄-239 등의 핵분열성 물질은 중성자를 흡수하며 핵분열을 일으킨다.^{[183][184][185]}

저온, 열, 고온 중성자는 중성자 산란 설비에 쓰이는데, 이는 엑스선과 같이 응집물질을 분석하는 데 사용된다. "중성자 렌즈"에 대한 연구도 진행 중인데, 속이 빈 유리 모세관 내부 전반사를 이용하거나, 딤플형 알루미늄판의 반사를 이용하여 중성자 현미경 사용과 중성자/감마선 단층촬영을 할 수 있다.

중성자는 주로 물질에서 즉발(prompt) 혹은 지발(delayed) 감마선을 만드는 데 쓰인다. 이는 중성자 활성화 분석(NAA)과 신속 감마 중성자 활성화 분석(PGNAA)의 기본이 된다. NAA는 원자로에서 작은 표본 물질을 분석하는 데 가장 많이 쓰이는 방법이다. 반면 PGNAA는 시추공 근처 지하에서 나온 바위나 산업용 대형 물질을 분석하는 데 가장 많이 쓰이는 방법이다.

중성자의 또 다른 이용처로는 작은 핵의 검출, 특히 물 분자에서 수소를 찾는 데 쓰인다. 고속 중성자가 가벼운 핵에 충돌하면, 자신이 가진 에너지의 상당 부분을 잃는다. 수소에 충돌한 후 속도가 줄어든 중성자가 중성자 수분 측정기로 돌아온 것을 측정하면 토양 속 수분 함량을 알아낼 수 있다.

의료 분야에서, 중성자 방사선은 투과력과 이온화 능력이 모두 있기 때문에 활용될 수 있다. 고속 중성자 치료는 일반적으로 20MeV를 초과하는 고에너지 중성자를 사용하여 암을 치료한다. 암 방사선 치료는 세포의 이온화 방사선에 대한 생물학적 반응을 기반으로 한다. 방사선을 소량씩 조사하여 암 부위를 손상시키면 정상 조직은 스스로 회복할 시간을 갖지만, 종양 세포는 종종 회복할 수 없다. 중성자 방사선은 감마선보다 한 자릿수 더 큰 비율로 암 부위에 에너지를 전달할 수 있다.

저에너지 중성자 빔은 붕소 중성자 포획 치료에 사용되어 암을 치료한다. 붕소 중성자 포획 치료에서 환자는 붕소를 포함하고 표적이 될 종양에 우선적으로 축적되는 약물을 투여받는다. 그런 다음 종양에 매우 저에너지 중성자(열에너지보다 높은 경우가 많지만)를 조사하는데, 이 중성자는 붕소의 붕소-10 동위원소에 포획되어 붕소-11의 들뜬 상태를 생성하고, 이는 리튬-7과 알파 입자로 붕괴된다. 이 입자들은 악성 세포를 죽일 만큼 충분한 에너지를 가지지만, 근처 세포에 손상을 줄 만큼 충분한 범위는 없다.

11. 중성자 방호

자유 중성자에 노출되는 것은 위험할 수 있다. 중성자가 신체의 분자와 상호 작용하면 분자와 원자가 손상될 수 있으며, 양성자와 같은 다른 형태의 방사선을 생성하는 반응을 일으킬 수도 있기 때문이다.^[6] 일반적인 방사선 방호 예방 조치가 적용된다. 노출을 피하고, 광원에서 최대한 멀리 떨어져 있으며, 노출 시간을 최소화해야 한다. 그러나 중성자 노출로부터 보호하는 방법에 대해 특별히 고려해야 한다. 알파 입자(알파 입자), 베타 입자(베타 입자), 감마선(감마선)과 같은 다른 유형의 방사선의 경우, 높은 원자 번호와 높은 밀도의 물질이 우수한 차폐를 제공하며, 자주 납이 사용된다. 그러나 이 방법은 중성자에는 효과가 없다. 알파선, 베타선, 감마선과 달리 중성자의 흡수는 원자 번호에 따라 단순하게 증가하지 않기 때문이다. 대신 중성자가 물질과 상호 작용하는 특성을 고려해야 한다. 예를 들어, 일반 수소는 중성자를 산란시키고 감속시키므로 수소가 풍부한 재료는 종종 중성자 차폐에 사용된다. 이는 종종 단순한 콘크리트 블록이나 파라핀이 함유된 플라스틱 블록이 훨씬 더 고밀도의 재료보다 중성자로부터 더 나은 보호를 제공한다는 것을 의미한다. 감속된 후, 중성자는 리튬-6과 같이 속도가 느린 중성자에 대한 친화력이 높고 2차 포획 방사선을 생성하지 않는 동위원소로 흡수될 수 있다.

수소가 풍부한 일반적인 물은 핵분열 원자로에서 중성자 흡수에 영향을 미친다. 일반적으로 중성자는 일반 물에 의해 매우 강하게 흡수되기 때문에 핵분열성 동위원소로 연료를 농축해야 한다. 중수의 중수소는 프로티움(일반적인 가벼운 수소)보다 중성자에 대한 흡수 친화력이 훨씬 낮다. 따라서 중수소는 CANDU형 원자로에서 사용되어 중성자 속도를 감속( 감속)시켜 중성자 포획에 비해 핵분열 확률을 높인다.

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