Нейтрон

Нейтрон (далее Н) (англ. neutron, от лат. neuter — ни тот, ни другой; символ n), нейтральная (не обладающая электрическим зарядом) элементарная частица со спином 1/2 (в единицах постоянной Планка ) и массой, незначительно превышающей массу протона. Из протонов и Н построены все ядра атомные. момент Н равен примерно двум ядерным магнетонам и отрицателен, т. е. направлен противоположно механическому, спиновому, моменту количества движения. Н относятся к классу сильно взаимодействующих частиц (адронов) и входят в группу т. е. обладают особой внутренней характеристикой — барионным зарядом, равным, как и у протона (р), + 1. Н были открыты в 1932 английским физиком Дж. Чедвиком, который установил, что обнаруженное немецкими физиками В. Боте и Г. Бекером проникающее излучение, возникающее при бомбардировке ядер (в частности, бериллия) a-частицами, состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона.   Н устойчивы только в составе стабильных ядер. Свободный Н — нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон (е-) и электронное антинейтрино : среднее время жизни Н t " 16 мин. В веществе свободные Н существуют еще меньше (в плотных веществах единицы — сотни мксек) вследствие их сильного поглощения ядрами. Поэтому свободные Н возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций (см. Нные источники). В свою очередь, свободный Н способен взаимодействовать с ядрами, вплоть до самых тяжелых; исчезая, Н вызывает ту или иную ядерную реакцию, из которых особое значение имеет деление тяжелых ядер, а также радиационный захват Н, приводящий в ряде случаев к образованию радиоактивных изотопов. Большая эффективность Н в осуществлении ядерных реакций, своеобразие взаимодействия с веществом совсем медленных Н (резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в и т.п.) делают Н исключительно важным орудием исследования в ядерной физике и физике твердого тела. В практических приложениях Н играют ключевую роль в ядерной энергетике производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов (искусственная радиоактивность), а также широко используются в анализе (активационный анализ) и в геологической разведке (нейтронный каротаж).   В зависимости от энергии Н принята их условная классификация: ультрахолодные Н (до 10-7 эв), очень холодные (10-7—10-4 эв), холодные (10-4—5×10-3 эв), тепловые (5×10-3—0,5 эв), резонансные (0,5—104 эв), промежуточные (104—105 эв), быстрые (105—108 эв), высокоэнергичные (108—1010 эв) и релятивистские (³ 1010 эв); все Н с энергией до 105 эв объединяют общим названием медленные нейтроны.   О методах регистрации Н см. Нные детекторы.   Основные характеристики нейтронов   Масса. Наиболее точно определяемой величиной является разность масс Н и протона: mn — mр = (1,29344 ± 0,00007) Мэв, измеренная по энергетическому балансу различных ядерных реакций. Из сопоставления этой величины с массой протона получается (в энергетических единицах) mn = (939,5527 ± 0,0052) Мэв; это соответствует mn " 1,6·10-24 г, или mn " 1840 mе, где mе — масса электрона.   Спин и статистика. Значение 1/2 для спина Н подтверждается большой совокупностью фактов. Непосредственно спин был измерен в опытах по расщеплению пучка очень медленных Н в неоднородном поле. В общем случае пучок должен расщепиться на 2J  + 1 отдельных пучков, где J — спин Н В опыте наблюдалось расщепление на 2 пучка, откуда следует, что J = 1/2. Как частица с полуцелым спином, Н подчиняется Ферми — Дирака статистике (является независимо это было установлено на основе экспериментальных данных по строению ядер (см. Ядерные оболочки).   Электрический заряд нейтрона Q = 0. Прямые измерения Q по отклонению пучка Н в сильном электрическом поле показывают, что, по крайней мере, Q < 10-17e, где е — элементарный электрический заряд, а косвенные измерения (по электрической нейтральности макроскопических объемов газа) дают оценку Q < 2·10-22 е.   Другие квантовые числа нейтрона. По своим свойствам Н очень близок протону: n и р имеют почти равные массы, один и тот же спин, способны взаимно превращаться друг в друга, например в процессах бета-распада; они одинаковым образом проявляют себя в процессах, вызванных сильным взаимодействие, в частности ядерные силы, действующие между парами р—р, n—p и n—n, одинаковы (если частицы находятся соответственно в одинаковых состояниях). Такое глубокое сходство позволяет рассматривать Н и протон как одну частицу — нуклон, которая может находиться в двух разных состояниях, отличающихся электрическим зарядом Q. Нуклон в состоянии с Q = + 1 есть протон, с Q = 0 — Н Соответственно, нуклону приписывается (по аналогии с обычным спином) некоторая внутренняя характеристика — изотонический спин , равный 1/2, "проекция" которого может принимать (согласно общим правилам квантовой механики) 2 + 1 = 2 значения: + 1/2 и —1/2. Т. о., n и р образуют изотопический дублет (см. Изотопическая инвариантность): нуклон в состоянии с проекцией изотопического спина на ось квантования + 1/2 является протоном, а с проекцией —1/2 — Н Как компоненты изотопического дублета, Н и протон, согласно современной систематике элементарных частиц, имеют одинаковые квантовые числа: заряд В =+ 1, лептонный заряд L = 0, странность = 0 и положительную внутреннюю четность. Изотопический дублет нуклонов входит в состав более широкой группы "похожих" частиц — так называемый октет с J = 1/2, В = 1 и положительной внутренней четностью; помимо n и р в эту группу входят L-, ±-, 0-, X--, X0- гипероны, отличающиеся от n и р странностью (см. Элементарные частицы).   дипольный момент нейтрона, определенный из экспериментов по ядерному резонансу, равен:   mn = — (1,91315 ± 0,00007) mя, где mя=5,05×10-24 эрг/гс — ядерный магнетон. Частица со спином 1/2, описываемая Дирака уравнением, должна обладать моментом, равным одному магнетону, если она заряжена, и нулевым, если не заряжена. Наличие момента у Н, так же как аномальная величина момента протона (mр = 2,79mя), указывает на то, что эти частицы имеют сложную внутреннюю структуру, т. е. внутри них существуют электрические токи, создающие дополнительный "аномальный" момент протона 1,79mя и приблизительно равный ему по величине и противоположный по знаку момент Н (—1,9mя) (см. ниже).   Электрический дипольный момент. С теоретической точки зрения, электрический дипольный момент d любой 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 резонанса на пучке холодных Н показали, что dn < 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 определенной 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 = 3/2 и отличаются лишь значениями проекции изотопического спина 3 (3 = + 3/2 в первом и 3 = — 3/2 во 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 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 ядром ниже высоты кулоновского барьера (которая для тяжелых ядер порядка 15 Мэв), рассеяние протона происходит в основном за счет 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 и свободно приближаться к ядрам. Именно это обусловливает уникальную способность Н сравнительно малых энергий вызывать различные ядерные реакции, в том числе реакцию деления тяжелых ядер. О методах и результатах исследований взаимодействия Н с ядрами см. в статьях Медленные нейтроны, Нная 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 называемая -волна). Рассеяние в -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 Мэв длина волны Н эта особенность рассеяния Н на протонах при таких энергиях непосредственно дает сведения о порядке величины радиуса действия ядерных сил. Теоретическое рассмотрение показывает, что рассеяние в -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, определенная из опытов по рассеянию протонов на протонах (два протона в -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 -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 + 3 ® 4 + 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) 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 трех-четырех Н, а также ядра 4, 5, 6 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 путем 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 легкого адрона — p-мезона (равной 1,4×10-13 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 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 моментов Н и протона, если считать, что момент Н создается орбитальным движением заряженных p--мезонов, испускаемых виртуально в процессе n ® p + p- ® n, а аномальный момент протона — орбитальным движением виртуального облака p+-мезонов, создаваемого процессом р ® n + p+ ® р.   Электромагнитные взаимодействия нейтрона. Электромагнитные свойства Н определяются наличием у него 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. момент Н определяет поведение Н во внешних электромагнитных полях: расщепление пучка Н в неоднородном 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 и ядрами приводят к ряду явлений, имеющих важное значение для исследования строения вещества. Взаимодействие момента Н с моментами электронных оболочек проявляется существенно для Н, длина волны которых порядка или больше размеров (энергия Е < 10 эв), и широко используется для исследования структуры и элементарных возбуждений (спиновых волн) (см. Нография). Интерференция с ядерным рассеянием позволяет получать пучки поляризованных медленных Н (см. Поляризованные нейтроны).   Взаимодействие 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 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.   Ны во Вселенной и околоземном пространстве   Вопрос о количестве Н во Вселенной на ранних стадиях ее 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 счете привести приблизительно к 30%-ному содержанию ядер Не и 70%-ному — протонов. Экспериментальное определение процентного состава во Вселенной — одна из критических проверок модели горячей Вселенной.   Эволюция звезд в ряде случаев приводит к образованию нейтронных звезд, 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 земной атмосферы приводят к генерации Н в атмосфере. Реакция 14 (n, р)14С, вызываемая этими Н, — основной источник радиоактивного изотопа 14 в атмосфере, откуда он поступает в живые организмы; на определении содержания 14 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., Ны, 2 изд., М., 1971; Гуревич И. И., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергий, М., 1965.   Ф. Л. Шапиро, В. И. Лущиков.