Нейтрон

Нейтрон (англ. neutron, от лат.(латинский) 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. Магнитный 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 барионов, 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 атомных ядер (в частности, бериллия) a-частицами, состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона.

  Н. устойчивы только в составе стабильных атомных 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 ещё 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. Нейтронные источники). В свою очередь, свободный Н. способен взаимодействовать с атомными ядрами, вплоть до самых тяжёлых; исчезая, Н. вызывает ту или иную ядерную реакцию, из которых особое значение имеет деление тяжёлых 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 кристаллах и т.п.) делают Н. исключительно важным орудием исследования в ядерной физике и физике твёрдого тела. В практических приложениях Н. играют ключевую роль в ядерной энергетике производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов (искусственная радиоактивность), а также широко используются в химическом 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.(смотри) Нейтронные детекторы.

  Основные характеристики нейтронов

  Масса. Наиболее точно определяемой величиной является разность масс Н. и протона: m_n — m_р = (1,29344 ± 0,00007) Мэв, измеренная по энергетическому балансу различных ядерных реакций. Из сопоставления этой величины с массой протона получается (в энергетических единицах)

m_n = (939,5527 ± 0,0052) Мэв;

это соответствует m_n » 1,6·10^-24 г, или m_n » 1840 m_е, где m_е — 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 магнитном 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 фермионом); независимо это было установлено на основе экспериментальных данных по строению атомных 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 объёмов 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 I, равный ¹/₂, «проекция» которого может принимать (согласно общим правилам квантовой механики) 2I + 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: барионный заряд В =+ 1, лептонный заряд L = 0, странность S = 0 и положительную внутреннюю чётность. Изотопический дублет нуклонов входит в состав более широкой группы «похожих» частиц — так называемый октет барионов с J = ¹/₂, В = 1 и положительной внутренней чётностью; помимо n и р в эту группу входят L^-, S^±-, S⁰-, X^--, X⁰- гипероны, отличающиеся от n и р странностью (см. Элементарные частицы).

  Магнитный дипольный момент нейтрона, определённый из экспериментов по ядерному магнитному резонансу, равен:

  m_n = — (1,91315 ± 0,00007) m_я,

где m_я=5,05×10^-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_я и 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 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 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 = ³/₂ и отличаются лишь значениями проекции изотопического спина I₃ (I₃ = + ³/₂ в первом и I₃ = — 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 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.(смотри) 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 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 Мэв длина 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 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 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 1,4×10^-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 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 нейтрона проявляется 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.