Нейтронна оптика
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Нейтронна оптика

Нейтронна оптика, розділ нейтронної фізики, що вивчає ряд явищ, що мають оптичні аналогії і нейтронних пучків, що виникають при взаємодії, з речовиною або полями (магнітним, гравітаційними). Ці явища характерні для повільних нейтронів . До них слід віднести: заломлення і віддзеркалення нейтронних пучків на кордоні двох середовищ, повне віддзеркалення нейтронного пучка від кордони розділу (спостережуване за певних умов), дифракцію нейтронів на окремих неоднородностях середовища (розсіяння нейтронів на малі кути) і на періодичних структурах (див. Дифракція часток ) . Для деяких речовин при віддзеркаленні і заломленні виникає поляризація нейтронів, з якою (у першому наближенні) можна зіставити круг поляризацію світла . Непружне розсіяння нейтронів в газах, рідинах і твердих тілах має аналогію з комбінаційним розсіянням світла .

загрузка...

  У ряді явищ Н. о. переважаюче значення мають хвилеві властивості нейтронів. Довжина хвилі l нейтронів визначається масою нейтронів m = 1,67 10 -24 г і їх швидкістю v:

  l = h/mv,      (1)

де h — Планка постійна (див. Хвилі де Бройля ) . Середня швидкість теплових нейтронів v = 2,2·10 5 см/сек, для них — довжина хвилі l = 1,8·10 -8 см, тобто того ж порядку, що і для рентгенівських променів . Довжини хвиль найповільніших нейтронів (ультрахолодних, див.(дивися) нижчий) такі ж, як в ультрафіолетового і видимого світла. Аналогію між пучками нейтронів і електромагнітними хвилями підкреслює і той факт, що нейтрони так само, як і фотони, не мають електричного заряду. В той же час природа нейтронних і електромагнітних хвиль різна. Фотони взаємодіють з електронною оболонкою атома, тоді як нейтрони — в основному з атомними ядрами. Нейтрон володіє масою спокою, що дозволяє застосовувати для нейтронних досліджень методи, не властиві оптиці. Наявність в нейтрона магнітного моменту обумовлює магнітну взаємодію нейтронів з магнітними матеріалами і магнітними полями, відсутнє для фотонів.

  Розвиток Н. о. почалося в 40-х рр. (після появи ядерних реакторів ) . Е. Фермі ввів для опису взаємодії нейтронів з середовищами, що конденсували, поняття показника заломлення n. При проходженні нейтронів через середовище відбувається їх розсіяння атомними ядрами. На мові хвиль це означає, що падаюча нейтронна хвиля породжує вторинні хвилі, когерентне складання яких визначає заломлені і відбиті хвилі. В результаті взаємодії нейтронів з ядрами змінюється швидкість, а, отже, довжина хвилі l 1 нейтронів в середовищі в порівнянні з довжиною хвилі l у вакуумі. У звичайних умовах, коли поглинанням нейтронів на дорозі порядку l 1 можна нехтувати (так само як в оптиці): n = l/l 1 . Із співвідношення де Бройля слідує, що n = l / l 1 = v 1 /v.

  Якщо U — середній за об'ємом середовища потенціал взаємодії нейтронів з ядрами, то при попаданні в середу нейтрон повинен зробити роботу. Його початкова кінетична енергія E = mv 2 /2 в середовищі зменшується: E 1 = E - U. Прі U > 0 швидкість нейтронів в середовищі зменшується v 1 < v, l 1 > l і n < 1 . Прі U < 0 швидкість зростає і n > 1. Якщо ввести для нейтронних хвиль величину, аналогічну діелектричній проникності : e = n 2 , те: e = l 2 /l 1 2 = v 1 2 /v 2 = E 1 / E . Потенціал U = h 2 Nb /2p m, звідки:

  e = n 2 = 1 — h 2 Nb/ p m 2 v 2 .      (2)

Тут b — когерентна довжина розсіяння нейтронів ядрами, а N — число ядер в одиниці об'єму середовища. Для більшості речовин b > 0, і формулі (2) можна надати вигляду:

  Нейтрони із швидкістю v < v 0 мають енергію E < U, для них n 2 < 0, тобто показник заломлення уявний. Такі нейтрони не можуть здолати сили відштовхування середовища і повністю відбиваються від її поверхні. Вони отримали назву ультрахолодних нейтронів . Для металів v 0 ~ м/сек (наприклад, для Cu v 0 = 5,7 м/сек ) .

  Швидкість теплових нейтронів в декілька сотів разів більша, ніж ультрахолодних, і n близько до 1 (1 — n » 10 -5 ) . При ковзаючому падінні на поверхню щільної речовини пучок теплових нейтронів також випробовує повне віддзеркалення, аналогічне повному внутрішньому віддзеркаленню світла. Це має місце при кутах ковзання j £ j кр , тобто при кутах падіння

Критичний кут визначається з умови:

  Наприклад, для міді j кр = 9,5''. Можна показати, що умова повного віддзеркалення (4) еквівалентно вимозі: v z £ v 0 , де v z компонента швидкості нейтрона, нормальна до відзеркалювальної поверхні. Швидкість холодних нейтронів у декілька разів менше, ніж теплових, а кут j кр — відповідно більше.

  Повне віддзеркалення використовується для транспортування теплових і холодних нейтронів з мінімальними втратами від ядерного реактора до експериментальних установок (відстані ~ 100 м-код ) . Це здійснюється за допомогою дзеркальних нейтроноводов — вакуумованих труб, внутрішня поверхня яких відображає нейтрони. Дзеркальні нейтроноводи роблять з міді або скла (з напиленим металом або без нього).

  Насправді коефіцієнт віддзеркалення нейтронів завжди трохи менше одиниці. Це пов'язано з тим, що ядра не лише розсіюють нейтрони, але і поглинають їх. Облік поглинання приводить до уточнення формули (3):

  Тут s — ефективний поперечний переріз всіх процесів, що приводять до ослабіння нейтронного пучка. Для холодних і ультрахолодних нейтронів істотна сума перетинів захвату і непружного розсіяння, величина якого назад пропорційна швидкості v. Тому твір s v не залежить від v. Це означає, що e і n для нейтронів, як і в оптиці, комплексні величини: e = e’ + i e’’, n = n’ + in’’. Для ультрахолодних нейтронів дійсна частина e, тобто e'' < 0 і n’’ > n’. В разі світла це характерно для металів, і віддзеркалення ультрахолодних нейтронів від багатьох речовин аналогічно віддзеркаленню світла від металів з надзвичайно високою відбивною здатністю (див. Металооптика ) . Якщо b < 0, те у формулі (5) перед членом v 0 2 /v 2 коштує знак + і e > 1 (зростає із зменшенням v ) . Такі речовини відображають і заломлюють дуже повільні нейтрони, як діелектрики світло.

  Формулу (2) легко узагальнити на випадок присутності в середовищі магнітного поля, додавши до енергії U взаємодії нейтронів з середовищем енергію магнітної взаємодії ± m В, де m — магнітний момент нейтрона, В — магнітна індукція (знаки ± відносяться до двох можливих орієнтацій магнітного моменту нейтрона відносно вектора В, тобто до двох поляризаціям нейтронного пучка):

  n 2 = 1 - h 2 Nb /p m 2 v 2 ± 2m B / mv 2      (6)

  Вибором матеріалу для дзеркала, що відображає, магнітного поля і кута ковзання можна добитися того, щоб нейтрони однієї з двох поляризацій випробовували повне віддзеркалення, а інший — ні. Подібний пристрій використовується для здобуття пучків поляризованих нейтронів і для визначення міри їх поляризації.

  На принципах Н. о. заснований ряд пристроїв, використовуваних як в експериментальній техніці, так і для вирішення практичних завдань: нейтронні дзеркала, прямі і зігнуті нейтроноводи повного внутрішнього віддзеркалення, нейтронні кристалічні монохроматори дзеркальні і кристалічні поляризатори і аналізатори нейтронів, пристрої, що дозволяють фокусувати нейтронні пучки, заломлюючі призми, нейтронний інтерферометр і т.д. Дифракція нейтронів широко застосовується для дослідження субмікроскопічних властивостей речовини: атомно-кристалічної структури, коливань кристалічної решітки, магнітної структури і її динаміки (див. Нейтронографія ) .

 

  Літ.: Фермі Е., Лекції з атомної фізики, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1952; Юз Д., Нейтронна оптика, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1955; Гуревіч І. І., Тараса Л. Ст, Фізика нейтронів низьких енергії, М., 1965; Франк І. М., Деякі нові аспекти нейтронної оптики, «Природа», 1972 № 9. Див. також літ.(літературний) при ст. Нейтронографія .

  Ю. М. Останевіч, І. М. Франк.