Нейтрон (англ. neutron, від латів.(латинський) neuter — ні той, ні інший; символ n), нейтральна (що не володіє електричним зарядом) елементарна частка із спином 1 / 2 (у одиницях постійної Планка ) і масою, що трохи перевищує масу протона. З протонів і Н. побудовані всі ядра атомні . Магнітний момент Н. рівний приблизно двом ядерним магнетонам і негативний, тобто направлений протилежно механічному, спину, моменту кількості руху. Н. відносяться до класу сильно взаємодіючих часток (адронів) і входять до групи баріонів, тобто володіють особливою внутрішньою характеристикою — баріонним зарядом, рівним, як і в протона (р) + 1. Н. були відкриті в 1932 англійським фізиком Дж. Чедвіком, який встановив, що виявлене німецькими фізиками В. Боте і Г. Бекером проникаюче випромінювання, що виникає при бомбардуванні атомних ядер (зокрема, берилія) а-частками, складається з незаряджених часток з масою, близькою до маси протона.
Н. стійкі лише у складі стабільних атомних ядер. Вільний Н. — нестабільна частка, що розпадається на протон, електрон (е - ) і електронне антинейтрино :
середній час життя Н. t » 16 мин. В речовині вільні Н. існують ще менше (у щільних речовинах одиниці — сотні мксек ) унаслідок їх сильного поглинання ядрами. Тому вільні Н. виникають в природі або виходять в лабораторії лише в результаті ядерних реакцій (див. Нейтронні джерела ) . У свою чергу, вільний Н. здатний взаємодіяти з атомними ядрами, аж до найважчих; зникаючи, Н. викликає ту або іншу ядерну реакцію, з яких особливе значення має ділення важких ядер, а також радіаційний захват Н., що приводить у ряді випадків до утворення радіоактивних ізотопів. Велика ефективність Н. у здійсненні ядерних реакцій, своєрідність взаємодії з речовиною зовсім повільних Н. (резонансні ефекти, дифракційне розсіяння в кристалах і т.п.) роблять Н. виключно важливим знаряддям дослідження в ядерній фізиці і фізиці твердого тіла. У практичних додатках Н. грають ключову роль в ядерній енергетиці виробництві трансуранових елементів і радіоактивних ізотопів (штучна радіоактивність), а також широко використовуються в хімічному аналізі (активаційний аналіз ) і в геологічній розвідці (нейтронний каротаж ) .
Залежно від енергії Н. прийнята їх умовна класифікація: ультрахолодні Н. (до 10 -7 ев ), дуже холодні (10 -7 —10 -4 ев), холодні (10 -4 —5×10 -3 ев ), теплові (5×10 -3 —0,5 ев), резонансні (0,5—10 4 ев ) , проміжні (10 4 —10 5 ев ) , швидкі (10 5 —10 8 ев ) , високоенергійні (10 8 —10 10 ев ) і релятивістські (³ 10 10 ев); все Н. з енергією до 10 5 ев об'єднують загальною назвою повільні нейтрони .
Маса . Найточніше визначуваною величиною є різниця мас Н. і протона: m n — m р = (1,29344 ± 0,00007) Мев, виміряна по енергетичному балансу різних ядерних реакцій. Із зіставлення цієї величини з масою протона виходить (у енергетичних одиницях)
m n = (939,5527 ± 0,0052) Мев;
це відповідає m n » 1,6·10 -24 г, або m n » 1840 m е , де m е — маса електрона.
Спин і статистика. Значення 1 / 2 для спину Н. підтверджується великою сукупністю фактів. Безпосередньо спин був виміряний в дослідах по розщеплюванню пучка дуже повільних Н. у неоднорідному магнітному полі. У загальному випадку пучок повинен розщепнутися на 2 J + 1 окремих пучків, де J — спин Н. У досвіді спостерігалося розщеплювання на 2 пучки, звідки витікає, що J = 1 / 2 . Як частка з напівцілим спином, Н. підкоряється Фермі — Дираку статистиці (є ферміоном); незалежно це було встановлено на основі експериментальних даних по будові атомних ядер (див. Ядерні оболонки ) .
Електричний заряд нейтрона Q = 0. Прямі виміри Q по відхиленню пучка Н. у сильному електричному полі показують, що, принаймні, Q < 10 -17 e, де е — елементарний електричний заряд, а непрямі виміри (по електричній нейтральності макроскопічних об'ємів газу) дають оцінку Q < 2·10 -22 е .
Інші квантові числа нейтрона . По своїх властивостях Н. дуже близький протону: n і р мають майже рівні маси, один і той же спин, здатні взаємно перетворюватися один на одного, наприклад в процесах бета-розпаду ; вони однаковим чином проявляють себе в процесах, викликаних сильним взаємодія, зокрема ядерні сили, що діють між парами р—р, n—p і n—n, однакові (якщо частки знаходяться відповідно в однакових станах). Така глибока схожість дозволяє розглядати Н. і протон як одну частку — нуклон, яка може знаходитися в двох різних станах, що відрізняються електричним зарядом Q. Нуклон в змозі з Q = + 1 є протон, з Q = 0 — Н. Відповідно, нуклону приписується (по аналогії із звичайним спином) деяка внутрішня характеристика — ізотонічний спин I , рівний 1 / 2 , «проекція» якого може приймати (згідно із загальними правилами квантової механіки) 2 I + 1 = 2 значення: + 1 / 2 і — 1 / 2 . Т. о., n і р утворюють ізотопічний дублет (див. Ізотопічна інваріантність ) : нуклон в змозі з проекцією ізотопічного спину на вісь квантування + 1 / 2 є протоном, а з проекцією — 1 / 2 — Н. Как компоненти ізотопічного дублету, Н. і протон, згідно з сучасною систематикою елементарних часток, мають однакові квантові числа: баріонний заряд В =+ 1, лептонний заряд L = 0,дивацтво S = 0 і позитивну внутрішню парність . Ізотопічний дублет нуклонів входить до складу ширшої групи «схожих» часток — так званий октет баріонів з J = 1 / 2 , В = 1 і позитивною внутрішньою парністю; окрім n і р до цієї групи входять L - , S ± -, S 0 -, X - -, X 0 - гіперони, що відрізняються від n і р дивацтва (див. Елементарні частки ) .
Магнітний дипольний момент нейтрона, визначений з експериментів по ядерному магнітному резонансу, рівний:
m n = — (1,91315 ± 0,00007) m я ,
де m я =5,05×10 -24 ерг/гс — ядерний магнетон. Частка із спином 1 / 2 , що описується Дираку рівнянням, повинна володіти магнітним моментом, рівним одному магнетону, якщо вона заряджена, і нульовим, якщо не заряджена. Наявність магнітного моменту в Н., так само як аномальна величина магнітного моменту протона (m р = 2,79m я ), вказує на те, що ці частки мають складну внутрішню структуру, тобто усередині них існують електричні струми, що створюють додатковий «аномальний» магнітний момент протона 1,79m я і приблизно рівний йому по величині і протилежний по знаку магнітний момент Н. (—1,9m я ) (див. нижчий) .
Електричний дипольний момент. З теоретичної точки зору, електричний дипольний момент d будь-якої елементарної частки має дорівнювати нулю, якщо взаємодії елементарних часток інваріантні відносно звернення часу (Т-інваріантність). Пошуки електричного дипольного моменту в елементарних часток є одній з перевірок цього фундаментального положення теорії, і зі всіх елементарних часток, Н. — найбільш зручна частка для таких пошуків. Досліди по методу магнітного резонансу на пучку холодних Н. показали, що d n < 10 -23 см·e. Ето означає, що сильна, електромагнітна і слабка взаємодії з великою точністю Т -інваріантни.
Взаємодії нейтронів
Н. беруть участь у всіх відомих взаємодіях елементарних часток — сильному, електромагнітному, слабкому і гравітаційному.
Сильна взаємодія нейтронів . Н. і протон беруть участь в сильних взаємодіях як компоненти єдиного ізотопічного дублету нуклонів. Ізотопічна інваріантність сильних взаємодій приводить до певного зв'язку між характеристиками різних процесів за участю Н. і протона, наприклад ефективні перерізи розсіяння p + -мезона на протоні і p - -мезона на Н. рівні, оскільки системи p + р і p - n мають однаковий ізотопічний спин I = 3 / 2 і відрізняються лише значеннями проекції ізотопічного спину I 3 ( I 3 = + 3 / 2 в першому і I 3 = — 3 / 2 в другому випадках), однакові перетини розсіяння К + на протоні і К°на Н, і т.п. Справедливість такого роду співвідношень експериментально перевірена у великому числі дослідів на прискорювачах високої енергії. [Зважаючи на відсутність мішеней, що складаються з Н., дані про взаємодію з Н. різних нестабільних часток витягуються головним образом з експериментів по розсіянню цих часток на дейтроні (d) — простому ядрі, Н, що містить.]
При низьких енергіях реальні взаємодії Н. і протонів із зарядженими частками і атомними ядрами сильно розрізняються із-за наявності в протона електричного заряду, що обумовлює існування дальнодействующих кулонівських сил між протоном і ін. зарядженими частками на таких відстанях, на яких короткодіючі ядерні сили практично відсутні. Якщо енергія зіткнення протона з протоном або атомним ядром нижча за висоту кулонівського бар'єру (яка для важких ядер порядка 15 Мев ) , розсіяння протона відбувається в основному за рахунок сил електростатичного відштовхування, що не дозволяють часткам зближуватися до відстаней порядку радіусу дії ядерних сил. Відсутність в Н. електричного заряду дозволяє йому проникати через електронні оболонки атомів і вільно наближатися до атомним ядрам. Саме це обумовлює унікальну здатність Н. порівняно малих енергій викликати різні ядерні реакції, у тому числі реакцію ділення важких ядер. Про методи і результати досліджень взаємодії Н. з ядрами див.(дивися) в статтях Повільні нейтрони, Нейтронна спектроскопія,Ядра атомного ділення, Розсіяння повільних Н. на протонах при енергіях аж до 15 Мев сферично симетрично в системі центру інерції. Це вказує на те, що розсіяння визначається взаємодією n — р в стані відносного руху з орбітальним моментом кількості руху l = 0 (так звана S -волна). Розсіяння в S -cocтоянії є специфічно квантовомеханічним явищем, що не має аналога в класичній механіці. Воно превалює над розсіянням в ін. станах, коли де-бройльовськая довжина хвилі Н.
порядку або більше радіусу дії ядерних сил ( — постійна Планка, v — швидкість Н.). Оскільки при енергії 10 Мев довжина хвилі Н.
ця особливість розсіяння Н. на протонах при таких енергіях безпосередньо дає зведення про порядок величини радіусу дії ядерних сил. Теоретичний розгляд показує, що розсіяння в S -cocтоянії слабо залежить від детальної форми потенціалу взаємодії і з хорошою точністю описується двома параметрами: ефективним радіусом потенціалу r і так званою довжиною розсіяння а . Фактично для опису розсіяння n — р число параметрів удвічі більше, оскільки система np може знаходитися в двох станах, що володіють різними значеннями повного спину: J = 1 (триплетний стан) і J = 0 (синглетний стан). Досвід показує, що довжини розсіяння Н. протоном і ефективні радіуси взаємодії в синглетному і триплетному станах різні, тобто ядерні сили залежать від сумарного спину часток, З експериментів витікає також, що зв'язаний стан системи np (ядро дейтерію) може існувати лише при сумарному спині 1, тоді як в синглетному стані величина ядерних сил недостатня для утворення зв'язаного стану Н. — протон. Довжина ядерного розсіяння в синглетному стані, визначена з дослідів по розсіянню протонів на протонах (два протони в S -cocтоянії, згідно Паулі принципу, можуть знаходитися лише в змозі з нульовим сумарним спином), дорівнює довжині розсіяння n—p в синглетному стані. Це узгоджується з ізотопічною інваріантністю сильних взаємодій. Відсутність зв'язаної системи пр в синглетному стані і ізотопічна інваріантність ядерних сил приводять до виводу, що не може існувати зв'язаної системи два Н. — так званий бінейтрон (аналогічно протонам, два Н. у S -cocтоянії повинні мати сумарний спин, рівний нулю). Прямих дослідів по розсіянню n—n не проводилося зважаючи на відсутність нейтронних мішеней, проте, непрямі дані (властивості ядер) і більш безпосередні — вивчення реакцій 3 H + 3 H ® 4 He + 2n, p - + d ® 2n + g — узгоджуються з гіпотезою ізотопічної інваріантності ядерних сил і відсутністю бінейтрона. [Якби існував бінейтрон, то в цих реакціях спостерігалися б при сповна певних значеннях енергії списа в енергетичних розподілах відповідно а-часток (ядер 4 He) і g-квантів.] Хоча ядерне взаємодія в синглетному стані недостатньо велике, щоб утворити бінейтрон, це не унеможливлює утворення зв'язаної системи, що складається з великого числа одних лише Н. — нейтронних ядер. Це питання вимагає подальшого теоретичного і експериментального вивчення. Спроби виявити на досвіді ядра з трьох-чотирьох Н., а також ядра 4 H, 5 H, 6 H не дали доки позитивного результату, Не дивлячись на відсутність послідовній теорії сильних взаємодій, на основі ряду тих, що існують виставі можна якісно зрозуміти деякі закономірності сильних взаємодій і структури Н. Согласно цим виставам, сильна взаємодія між Н. і ін. адронами (наприклад, протоном) здійснюється шляхом обміну віртуальними адронами (див. Віртуальні частки ) — p-мезонамі, r-мезонамі і ін. Така картина взаємодії пояснює короткодіючий характер ядерних сил, радіус яких визначається комптонівською довжиною хвилі найлегшого адрону — p-мезона (рівною 1,4×10 -13 см ) . В той же час вона вказує на можливість віртуального перетворення Н. у ін. адрони, наприклад процес випускання і поглинання p-мезона: n ® p + p - ® n. Відома з досвіду інтенсивність сильних взаємодій така, що Н. переважний час повинен проводити в подібного роду «диссоційованих» станах, знаходячись як би в «хмарі» віртуальних p-мезонів і ін. адронів. Це приводить до просторового розподілу електричного заряду і магнітного моменту усередині Н., фізичні розміри якого визначаються розмірами «хмари» віртуальних часток (див. також Формфактор ) . В частковості, виявляється можливим якісно інтерпретувати відмічену вище приблизну рівність по абсолютній величині аномальних магнітних моментів Н. і протона, якщо вважати, що магнітний момент Н. створюється орбітальним рухом заряджених p - -мезонов, що випускаються віртуально в процесі n ® p + p - ® n, а аномальний магнітний момент протона — орбітальним рухом віртуальної хмари p + -мезонов, що створюється процесом р ® n + p + ® р.
Електромагнітні взаємодії нейтрона. Електромагнітні властивості Н. визначаються наявністю у нього магнітного моменту, а також що існує усередині Н. розподілом позитивного і негативного зарядів і струмів. Всі ці характеристики, як випливає з попереднього, зв'язані за участю Н. у сильній взаємодії, що обумовлює його структуру. Магнітний момент Н. визначає поведінка Н. у зовнішніх електромагнітних полях: розщеплювання пучка Н. у неоднорідному магнітному полі, прецессию спину Н. Внутренняя електромагнітна структура Н. виявляється при розсіянні електронів високої енергії на Н. і в процесах народження мезонів на Н. g - квантами (фотонародження мезонів). Електромагнітні взаємодії Н. з електронними оболонками атомів і атомними ядрами приводять до ряду явищ, що мають важливе значення для дослідження будови речовини. Взаємодія магнітного моменту Н. з магнітними моментами електронних оболонок атомів виявляється істотно для Н., довжина хвилі яких порядку або більше атомних розмірів (енергія Е < 10 ев ) , і широко використовується для дослідження магнітної структури і елементарних збуджень (хвиль спинів ) магнітоупорядоченних кристалів (див. Нейтронографія ) . Інтерференція з ядерним розсіянням дозволяє отримувати пучки поляризованих повільних Н. (див. Поляризовані нейтрони ) .
Взаємодія магнітного моменту Н. з електричним полем ядра викликає специфічне розсіяння Н., вказане вперше американським фізиком Ю. Швінгером і тому зване «швінгеровським». Повний переріз цього розсіяння невеликий, проте при малих кутах (~ 3°) воно стає порівнянним з перетином ядерного розсіяння; Н., розсіяні на такі кути, в сильній мірі поляризовані.
Взаємодія Н. — електрон (n—e), не пов'язане з власним або орбітальним моментом електрона, зводиться в основному до взаємодії магнітного моменту Н. з електричним полем електрона. Інший, мабуть менший, вклад в (n—e)-взаимодействие може бути обумовлений розподілом електричних зарядів і струмів усередині Н. Хотя (n—e) -взаїмодействіє дуже мало, його удалося спостерігати в декількох експериментах.
Слабка взаємодія нейтрона виявляється в таких процесах, як розпад Н.:
захват електронного антинейтрино протоном:
і мюонного нейтрино (n m ) нейтроном: n m + n ® р + m - , ядерний захват мюонів: m - + р ® n + n m , розпади дивних часток, наприклад L ® p° + n, і т.д.
Гравітаційна взаємодія нейтрона. Н. — єдина з тих, що мають масу спокою елементарних часток, для якої безпосередньо спостерігалася гравітаційна взаємодія — викривлення в полі земного тяжіння траєкторії добре коллімірованного пучка холодних Н. Ізмеренноє гравітаційне прискорення Н. в межах точності експерименту збігається з гравітаційним прискоренням макроскопічних тіл.
Нейтрони у Всесвіті і навколоземному просторі
Питання про кількість Н. у Всесвіті на ранніх стадіях її розширення грає важливу роль в космології. Згідно моделі гарячіше Вселеною (див. Космологія ) , значна частина тих, що спочатку існували вільних Н. при розширенні встигає розпастися. Частина Н., яка виявляється захопленою протонами, повинна кінець кінцем привести приблизно до 30%-ному вмісту ядер Не і 70%-ному — протонів. Експериментальне визначення процентного складу He у Всесвіті — одна з критичних перевірок моделі гарячіше Вселеною.
Еволюція зірок у ряді випадків приводить до утворення нейтронних зірок, до яких належать, зокрема, так звані пульсари .
В первинній компоненте космічних променів Н. через свою нестабільність відсутні. Проте взаємодії часток космічних променів з ядрами атомів земної атмосфери приводять до генерації Н. у атмосфері. Реакція 14 N (n, р) 14 З, що викликається цими Н., — основне джерело радіоактивного ізотопу вуглецю 14 C в атмосфері, звідки він потрапляє в живі організми; на визначенні вмісту 14 C в органічних залишках заснований радіовуглецевий метод геохронології . Розпад повільних Н., дифундуючих з атмосфери в навколоземний космічний простір, є одним з основних джерел електронів, що заповнюють внутрішню область радіаційного поясу Землі .
Літ.: Власов Н. А., Нейтрони, 2 видавництва, М., 1971; Гуревіч І. І., Тараса Л. Ст, Фізика нейтронів низьких енергій, М., 1965.
