Большая Советская Энциклопедия (НЕ)
Шрифт:
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 Мэв сферически 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
порядка или больше радиуса действия ядерных сил (
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 r и 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 3 H + 3 H ® 4 He + 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 4 He) 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 4 H, 5 H, 6 H 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 1,4x10– 13см ). 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 ).
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 нейтрона проявляется в таких процессах, как распад Н.:
захват электронного антинейтрино протоном:
и мюонного нейтрино (nm ) нейтроном: nm + n ® р + m– , ядерный захват мюонов: m– + р ® n + nm , 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 14 N (n, р)14 С, вызываемая этими Н., — основной источник радиоактивного изотопа углерода 14 C в атмосфере, откуда он поступает в живые организмы; на определении содержания 14 C 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– 24г и их скоростью v:
l = h/mv, (1)
где h — Планка постоянная (см. Волны де Бройля ). Средняя скорость тепловых нейтронов v = 2,2·105см/сек, для них — длина волны l = 1,8·10– 8см, 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 l1 нейтронов в среде по сравнению с длиной волны l в вакууме. В обычных условиях, когда поглощением нейтронов на пути порядка l1 можно пренебречь (так же как в оптике): n = l/l1 . Из соотношения де Бройля следует, что n = l/ l1 = v1 /v.