Магнитный дипольный момент нейтрона,определённый из экспериментов по ядерному магнитному резонансу, равен:
m n= - (1,91315 ± 0,00007) m я,
где m я=5,05Ч10 -24 эрг/гс -ядерный магнетон. Частица со спином 1/ 2, описываемая Дирака уравнением,должна обладать магнитным моментом, равным одному магнетону, если она заряжена, и нулевым, если не заряжена. Наличие магнитного момента у Н., так же как аномальная величина магнитного момента протона (m р= 2,79m я), указывает на то, что эти частицы имеют сложную внутреннюю структуру, т. е. внутри них существуют электрические токи, создающие дополнительный «аномальный» магнитный момент протона 1,79m яи приблизительно равный ему по величине и противоположный по знаку магнитный момент Н. (-1,9m я) (см. ниже) .
Электрический дипольный момент.С теоретической точки зрения, электрический дипольный момент dлюбой элементарной частицы должен быть равен нулю, если взаимодействия элементарных частиц инвариантны относительно обращения времени (Т-инвариантность). Поиски электрического дипольного момента у элементарных частиц являются одной из проверок этого фундаментального положения теории, и из всех элементарных частиц, Н. - наиболее удобная частица для таких поисков. Опыты по методу магнитного резонанса на пучке холодных Н. показали, что d n< 10 -23 см·e.Это означает, что сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия с большой точностью Т-инвариантны.
Взаимодействия нейтронов
Н. участвуют во всех известных взаимодействиях элементарных частиц - сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном.
Сильное взаимодействие нейтронов. Н. и протон участвуют в сильных взаимодействиях как компоненты единого изотопического дублета нуклонов. Изотопическая инвариантность сильных взаимодействий приводит к определённой связи между характеристиками различных процессов с участием Н. и протона, например эффективные сечения рассеяния p +-мезона на протоне и p --мезона на Н. равны, так как системы p +р и p -n имеют одинаковый изотопический спин I= 3/ 2и отличаются лишь значениями проекции изотопического спина I 3( I 3= + 3/ 2в первом и I 3= - 3/ 2во втором случаях), одинаковы сечения рассеяния К +на протоне и К°на Н, и т.п. Справедливость такого рода соотношений экспериментально проверена в большом числе опытов на ускорителях высокой энергии. [Ввиду отсутствия мишеней, состоящих из Н., данные о взаимодействии с Н. различных нестабильных частиц извлекаются главным образом из экспериментов по рассеянию этих частиц на дейтроне (d) - простейшем ядре, содержащем Н.]
При низких энергиях реальные взаимодействия Н. и протонов с заряженными частицами и атомными ядрами сильно различаются из-за наличия у протона электрического заряда, обусловливающего существование дальнодействующих кулоновских сил между протоном и др. заряженными частицами на таких расстояниях, на которых короткодействующие ядерные силы практически отсутствуют. Если энергия столкновения протона с протоном или атомным ядром ниже высоты кулоновского барьера (которая для тяжелых ядер порядка 15 Мэв) ,рассеяние протона происходит в основном за счёт сил электростатического отталкивания, не позволяющих частицам сблизиться до расстояний порядка радиуса действия ядерных сил. Отсутствие у Н. электрического заряда позволяет ему проникать через электронные оболочки атомов и свободно приближаться к атомным ядрам. Именно это обусловливает уникальную способность Н. сравнительно малых энергий вызывать различные ядерные реакции, в том числе реакцию деления тяжёлых ядер. О методах и результатах исследований взаимодействия Н. с ядрами см. в статьях Медленные нейтроны , Нейтронная спектроскопия , Ядра атомного деление,Рассеяние медленных Н. на протонах при энергиях вплоть до 15 Мэвсферически симметрично в системе центра инерции. Это указывает на то, что рассеяние определяется взаимодействием n - р в состоянии относительного движения с орбитальным моментом количества движения l= 0 (так называемая S-волна). Рассеяние в S-cocтоянии является специфически квантовомеханическим явлением, не имеющим аналога в классической механике. Оно превалирует над рассеянием в др. состояниях, когда де-бройлевская длина волны Н.
порядка или больше радиуса действия ядерных сил (
- постоянная Планка,
v -скорость Н.). Поскольку при энергии 10
Мэвдлина волны Н.
эта особенность рассеяния Н. на протонах при таких энергиях непосредственно даёт сведения о порядке величины радиуса действия ядерных сил. Теоретическое рассмотрение показывает, что рассеяние в S-cocтоянии слабо зависит от детальной формы потенциала взаимодействия и с хорошей точностью описывается двумя параметрами: эффективным радиусом потенциала rи так называемой длиной рассеяния а. Фактически для описания рассеяния n - р число параметров вдвое больше, так как система np может находиться в двух состояниях, обладающих различными значениями полного спина: J= 1 (триплетное состояние) и J= 0 (синглетное состояние). Опыт показывает, что длины рассеяния Н. протоном и эффективные радиусы взаимодействия в синглетном и триплетном состояниях различны, т. е. ядерные силы зависят от суммарного спина частиц, Из экспериментов следует также, что связанное состояние системы np (ядро дейтерия) может существовать лишь при суммарном спине 1, в то время как в синглетном состоянии величина ядерных сил недостаточна для образования связанного состояния Н. - протон. Длина ядерного рассеяния в синглетном состоянии, определённая из опытов по рассеянию протонов на протонах (два протона в S-cocтоянии, согласно Паули принципу,могут находиться только в состоянии с нулевым суммарным спином), равна длине рассеяния n-p в синглетном состоянии. Это согласуется с изотопической инвариантностью сильных взаимодействий. Отсутствие связанной системы пр в синглетном состоянии и изотопическая инвариантность ядерных сил приводят к выводу, что не может существовать связанной системы двух Н. - так называемый бинейтрон (аналогично протонам, два Н. в S-cocтоянии должны иметь суммарный спин, равный нулю). Прямых опытов по рассеянию n-n не проводилось ввиду отсутствия нейтронных мишеней, однако, косвенные данные (свойства ядер) и более непосредственные - изучение реакций 3H + 3H ® 4He + 2n, p -+ d ® 2n + g - согласуются с гипотезой изотопической инвариантности ядерных сил и отсутствием бинейтрона. [Если бы существовал бинейтрон, то в этих реакциях наблюдались бы при вполне определенных значениях энергии пики в энергетических распределениях соответственно a-частиц (ядер 4He) и g-квантов.] Хотя ядерное взаимодействие в синглетном состоянии недостаточно велико, чтобы образовать бинейтрон, это не исключает возможности образования связанной системы, состоящей из большого числа одних только Н. - нейтронных ядер. Этот вопрос требует дальнейшего теоретического и экспериментального изучения. Попытки обнаружить на опыте ядра из трёх-четырёх Н., а также ядра 4H, 5H, 6H не дали пока положительного результата, Несмотря на отсутствие последовательной теории сильных взаимодействий, на основе ряда существующих представлении можно качественно понять некоторые закономерности сильных взаимодействий и структуры Н. Согласно этим представлениям, сильное взаимодействие между Н. и др. адронами (например, протоном) осуществляется путём обмена виртуальными адронами (см. Виртуальные частицы ) -p-мезонами, r-мезонами и др. Такая картина взаимодействия объясняет короткодействующий характер ядерных сил, радиус которых определяется комптоновской длиной волны самого лёгкого адрона - p-мезона (равной 1,4Ч10 -13 см) .Вместе с тем она указывает на возможность виртуального превращения Н. в др. адроны, например процесс испускания и поглощения p-мезона: n ® p + p -® n. Известная из опыта интенсивность сильных взаимодействий такова, что Н. подавляющее время должен проводить в подобного рода «диссоциированных» состояниях, находясь как бы в «облаке» виртуальных p-мезонов и др. адронов. Это приводит к пространственному распределению электрического заряда и магнитного момента внутри Н., физические размеры которого определяются размерами «облака» виртуальных частиц (см. также Формфактор ) .В частности, оказывается возможным качественно интерпретировать отмеченное выше приблизительное равенство по абсолютной величине аномальных магнитных моментов Н. и протона, если считать, что магнитный момент Н. создаётся орбитальным движением заряженных p --мезонов, испускаемых виртуально в процессе n ® p + p -® n, а аномальный магнитный момент протона - орбитальным движением виртуального облака p +-мезонов, создаваемого процессом р ® n + p + ® р.
Электромагнитные взаимодействия нейтрона.Электромагнитные свойства Н. определяются наличием у него магнитного момента, а также существующим внутри Н. распределением положительного и отрицательного зарядов и токов. Все эти характеристики, как следует из предыдущего, связаны с участием Н. в сильном взаимодействии, обусловливающем его структуру. Магнитный момент Н. определяет поведение Н. во внешних электромагнитных полях: расщепление пучка Н. в неоднородном магнитном поле, прецессию спина Н. Внутренняя электромагнитная структура Н. проявляется при рассеянии электронов высокой энергии на Н. и в процессах рождения мезонов на Н. g -квантами (фоторождение мезонов). Электромагнитные взаимодействия Н. с электронными оболочками атомов и атомными ядрами приводят к ряду явлений, имеющих важное значение для исследования строения вещества. Взаимодействие магнитного момента Н. с магнитными моментами электронных оболочек атомов проявляется существенно для Н., длина волны которых порядка или больше атомных размеров (энергия Е< 10 эв) ,и широко используется для исследования магнитной структуры и элементарных возбуждений ( спиновых волн ) магнитоупорядоченных кристаллов (см. Нейтронография ) .Интерференция с ядерным рассеянием позволяет получать пучки поляризованных медленных Н. (см. Поляризованные нейтроны ) .
Взаимодействие магнитного момента Н. с электрическим полем ядра вызывает специфическое рассеяние Н., указанное впервые американским физиком Ю. Швингером и потому называемое «швингеровским». Полное сечение этого рассеяния невелико, однако при малых углах (~ 3°) оно становится сравнимым с сечением ядерного рассеяния; Н., рассеянные на такие углы, в сильной степени поляризованы.
Взаимодействие Н. - электрон (n-e), не связанное с собственным или орбитальным моментом электрона, сводится в основном к взаимодействию магнитного момента Н. с электрическим полем электрона. Другой, по-видимому меньший, вклад в (n-e)-взаимодействие может быть обусловлен распределением электрических зарядов и токов внутри Н. Хотя (n-e)-взаимодействие очень мало, его удалось наблюдать в нескольких экспериментах.
Слабое взаимодействие нейтронапроявляется в таких процессах, как распад Н.:
захват электронного антинейтрино протоном:
и мюонного нейтрино (n m) нейтроном: n m+ n ® р + m -, ядерный захват мюонов: m -+ р ® n + n m, распады странных частиц,например L ® p° + n, и т.д.
Гравитационное взаимодействие нейтрона.Н. - единственная из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой непосредственно наблюдалось гравитационное взаимодействие - искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка холодных Н. Измеренное гравитационное ускорение Н. в пределах точности эксперимента совпадает с гравитационным ускорением макроскопических тел.
Нейтроны во Вселенной и околоземном пространстве
Вопрос о количестве Н. во Вселенной на ранних стадиях её расширения играет важную роль в космологии. Согласно модели горячей Вселенной (см. Космология ) ,значительная часть первоначально существовавших свободных Н. при расширении успевает распасться. Часть Н., которая оказывается захваченной протонами, должна в конечном счёте привести приблизительно к 30%-ному содержанию ядер Не и 70%-ному - протонов. Экспериментальное определение процентного состава He во Вселенной - одна из критических проверок модели горячей Вселенной.
Эволюция звёзд в ряде случаев приводит к образованию нейтронных звёзд,к числу которых относятся, в частности, так называемые пульсары.
В первичной компоненте космических лучей Н. в силу своей нестабильности отсутствуют. Однако взаимодействия частиц космических лучей с ядрами атомов земной атмосферы приводят к генерации Н. в атмосфере. Реакция 14N (n, р) 14С, вызываемая этими Н., - основной источник радиоактивного изотопа углерода 14C в атмосфере, откуда он поступает в живые организмы; на определении содержания 14C в органических остатках основан радиоуглеродный метод геохронологии.Распад медленных Н., диффундирующих из атмосферы в околоземное космическое пространство, является одним из основных источников электронов, заполняющих внутреннюю область радиационного пояса Земли.
Лит.:Власов Н. А., Нейтроны, 2 изд., М., 1971; Гуревич И. И., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергий, М., 1965.
Ф. Л. Шапиро, В. И. Лущиков.
Нейтронная оптика
Нейтро'нная о'птика,раздел нейтронной физики, изучающий ряд явлений, имеющих оптические аналогии и возникающих при взаимодействии нейтронных пучков с веществом или полями (магнитным, гравитационными). Эти явления характерны для медленных нейтронов.К ним следует отнести: преломление и отражение нейтронных пучков на границе двух сред, полное отражение нейтронного пучка от границы раздела (наблюдаемое при определённых условиях), дифракцию нейтронов на отдельных неоднородностях среды (рассеяние нейтронов на малые углы) и на периодических структурах (см. Дифракция частиц ) .Для некоторых веществ при отражении и преломлении возникает поляризация нейтронов, с которой (в первом приближении) можно сопоставить круговую поляризацию света.Неупругое рассеяние нейтронов в газах, жидкостях и твёрдых телах имеет аналогию с комбинационным рассеянием света.
В ряде явлений Н. о. преобладающее значение имеют волновые свойства нейтронов. Длина волны l нейтронов определяется массой нейтронов m= 1,67 10 -24 ги их скоростью v:
l = h/mv, (1)
где h - Планка постоянная(см. Волны де Бройля ) .Средняя скорость тепловых нейтронов v= 2,2·10 5 см/сек,для них - длина волны l = 1,8·10 -8 см,т. е. того же порядка, что и для рентгеновских лучей.Длины волн самых медленных нейтронов (ультрахолодных, см. ниже) такие же, как у ультрафиолетового и видимого света. Аналогию между пучками нейтронов и электромагнитными волнами подчёркивает и тот факт, что нейтроны так же, как и фотоны, не имеют электрического заряда. Вместе с тем природа нейтронных и электромагнитных волн различна. Фотоны взаимодействуют с электронной оболочкой атома, тогда как нейтроны - в основном с атомными ядрами. Нейтрон обладает массой покоя, что позволяет применять для нейтронных исследований методы, не свойственные оптике. Наличие у нейтрона магнитного момента обусловливает магнитное взаимодействие нейтронов с магнитными материалами и магнитными полями, отсутствующее для фотонов.
Развитие Н. о. началось в 40-х гг. (после появления ядерных реакторов ) .Э. Ферми ввёл для описания взаимодействия нейтронов с конденсированными средами понятие показателя преломления n.При прохождении нейтронов через среду происходит их рассеяние атомными ядрами. На языке волн это означает, что падающая нейтронная волна порождает вторичные волны, когерентное сложение которых определяет преломленные и отражённые волны. В результате взаимодействия нейтронов с ядрами изменяется скорость, а, следовательно, длина волны l 1нейтронов в среде по сравнению с длиной волны l в вакууме. В обычных условиях, когда поглощением нейтронов на пути порядка l 1можно пренебречь (так же как в оптике): n= l/l 1. Из соотношения де Бройля следует, что n= l /l 1 = v 1/v.
Если U -средний по объёму среды потенциал взаимодействия нейтронов с ядрами, то при попадании в среду нейтрон должен совершить работу. Его начальная кинетическая энергия E= mv 2/2 в среде уменьшается: E 1= E- U.При U> 0 скорость нейтронов в среде уменьшается v 1< v,l 1 > l и n< 1 .При U< 0 скорость возрастает и n> 1. Если ввести для нейтронных волн величину, аналогичную диэлектрической проницаемости:e = n 2,то: e = l 2/l 1 2= v 1 2/v 2= E 1/ E. Потенциал U= h 2Nb/2p m,откуда:
e = n 2= 1 - h 2Nb/p m 2v 2. (2)
Здесь b -когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами, a N -число ядер в единице объёма среды. Для большинства веществ b> 0, и формуле (2) можно придать вид:
Нейтроны со скоростью v< v 0имеют энергию E< U,для них n 2< 0, т. е. показатель преломления мнимый. Такие нейтроны не могут преодолеть силы отталкивания среды и полностью отражаются от её поверхности. Они получили название ультрахолодных нейтронов.Для металлов v 0~ м/сек(например, для Cu v 0= 5,7 м/сек) .
Скорость тепловых нейтронов в несколько сот раз больше, чем ультрахолодных, и nблизко к 1 (1 - n» 10 -5) .При скользящем падении на поверхность плотного вещества пучок тепловых нейтронов также испытывает полное отражение, аналогичное полному внутреннему отражению света. Это имеет место при углах скольжения j Ј j кр, т. е. при углах падения
Критический угол определяется из условия:
Например, для меди j кр= 9,5'. Можно показать, что условие полного отражения (4) эквивалентно требованию: v zЈ v 0,где v z-компонента скорости нейтрона, нормальная к отражающей поверхности. Скорость холодных нейтронов в несколько раз меньше, чем тепловых, а угол j кр- соответственно больше.
Полное отражение используется для транспортировки тепловых и холодных нейтронов с минимальными потерями от ядерного реактора к экспериментальным установкам (расстояния ~ 100 м) .Это осуществляется с помощью зеркальных нейтроноводов - вакуумированных труб, внутренняя поверхность которых отражает нейтроны. Зеркальные нейтроноводы делают из меди или стекла (с напыленным металлом или без него).
В действительности коэффициент отражения нейтронов всегда немного меньше единицы. Это связано с тем, что ядра не только рассеивают нейтроны, но и поглощают их. Учёт поглощения приводит к уточнению формулы (3):
Здесь s - эффективное поперечное сечение всех процессов, приводящих к ослаблению нейтронного пучка. Для холодных и ультрахолодных нейтронов существенна сумма сечений захвата и неупругого рассеяния, величина которых обратно пропорциональна скорости v.Поэтому произведение s vне зависит от v.Это означает, что e и nдля нейтронов, как и в оптике, комплексные величины: e = e’ + ie’’ , n = n’+ in’’.Для ультрахолодных нейтронов действительная часть e, т. е. e' < 0 и n’’> n’.В случае света это характерно для металлов, и отражение ультрахолодных нейтронов от многих веществ аналогично отражению света от металлов с чрезвычайно высокой отражательной способностью (см. Металлооптика ) .Если b< 0 ,то в формуле (5) перед членом v 0 2/v 2стоит знак + и e > 1 (возрастает с уменьшением v) .Такие вещества отражают и преломляют очень медленные нейтроны, как диэлектрики свет.
Формулу (2) легко обобщить на случай присутствия в среде магнитного поля, добавив к энергии Uвзаимодействия нейтронов со средой энергию магнитного взаимодействия ± m В,где m - магнитный момент нейтрона, В -магнитная индукция (знаки ± относятся к двум возможным ориентациям магнитного момента нейтрона относительно вектора В,т. е. к двум поляризациям нейтронного пучка):
n 2= 1 - h 2 Nb/p m 2 v 2± 2m B/ mv 2 (6)
Выбором материала для отражающего зеркала, магнитного поля и угла скольжения можно добиться того, чтобы нейтроны одной из двух поляризаций испытывали полное отражение, а другой - нет. Подобное устройство используется для получения пучков поляризованных нейтронов и для определения степени их поляризации.
На принципах Н. о. основан ряд устройств, используемых как в экспериментальной технике, так и для решения практических задач: нейтронные зеркала, прямые и изогнутые нейтроноводы полного внутреннего отражения, нейтронные кристаллические монохроматоры, зеркальные и кристаллические поляризаторы и анализаторы нейтронов, устройства, позволяющие фокусировать нейтронные пучки, преломляющие призмы, нейтронный интерферометр и т.д. Дифракция нейтронов широко применяется для исследования субмикроскопических свойств вещества: атомно-кристаллической структуры, колебаний кристаллической решётки,магнитной структуры и её динамики (см. Нейтронография ) .
Лит.:Ферми Э., Лекции по атомной физике, пер. с англ., М., 1952; Юз Д., Нейтронная оптика, пер. с англ., М., 1955; Гуревич И. И., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергии, М., 1965; Франк И. М., Некоторые новые аспекты нейтронной оптики, «Природа», 1972, № 9. См. также лит. при ст. Нейтронография .
Ю. М. Останевич, И. М. Франк.
Нейтронная радиография
Нейтро'нная радиогра'фия,получение изображения образца в результате воздействия на фоточувствительный слой вторичных излучении, возникающих в образце при облучении его нейтронами. Н. р. применяется главным образом для исследования металлов, сплавов, минералов с целью выявления наличия и размещения в них различных примесей (см. Дефектоскопия ) .В результате захвата нейтрона ядра становятся радиоактивными (см. Нейтронная спектроскопия, Медленные нейтроны) .Метод Н. р. основан на разной вероятности захвата нейтронов различными атомными ядрами. Если облученный нейтронами образец (обычно тонкая пластинка) совместить с фотоплёнкой, то на проявленном снимке получаются участки с различной степенью почернения (нейтронная фотография). Более тёмные участки соответствуют ядрам, которые сильнее поглощают нейтроны. Наличие и размещение некоторых примесей в образце можно определять не только по вторичным излучениям, но также по ослаблению первичного нейтронного потока в результате поглощения нейтронов ядрами примесей. Между образцом и фотослоем помещают фольгу из элемента, который становится под действием нейтронов b-активным (Ag, Dy, In). В этом случае более светлые пятна соответствуют более сильному поглощению нейтронов.
Лит.:Радиография. Сб. статей, М., 1952.
Л. В. Тарасов.
Нейтронная спектроскопия
Нейтро'нная спектроскопи'я,нейтронная спектрометрия, область ядерной физики, охватывающая исследования зависимости эффективного поперечного сечения взаимодействия нейтронов с атомными ядрами от энергии нейтронов.
Характерной особенностью энергетической зависимости сечений о взаимодействия медленных нейтронов с ядрами является наличие так называемых нейтронных резонансов - резкого увеличения (в 10-10 5раз) поглощения и рассеяния нейтронов вблизи определённых энергий ( рис. 1 ). Избирательное (резонансное) поглощение нейтронов определённых энергий впервые было обнаружено Э. Ферма с сотрудниками в 1934. Ими же было показано, что способность поглощать медленные нейтроны сильно меняется от ядра к ядру.
Образующееся после захвата нейтрона высоковозбуждённое (резонансное) состояние ядра нестабильно (время жизни ~10 -15сек): ядро распадается с испусканием нейтрона (резонансное рассеяние нейтронов) или g-кванта (радиационный захват). Значительно реже испускаются a-частица или протон. Для некоторых очень тяжёлых ядер (U, Pu и др.) происходит также деление возбуждённого ядра на 2, реже на 3 осколка (см.