НЕЙТРОН

НЕЙТРОН (англ, neutron, от лат.
neuter - ни тот, ни другой; символ n), нейтральная (не обладающая электрич.
зарядом) элементарная частица со спином 1/2 (в единицах постоянной
Планка h) и массой, незначительно превышающей массу протона. Из протонов
и H. построены все ядра атомные. Магнитный момент H. равен примерно
двум ядерным магнетонам и отрицателен, т. е. направлен противоположно
механическому, спиновому, моменту количества движения. H. относятся к классу
сильно взаимодействующих частиц (адронов) и входят в группу барионов, т.
е. обладают особой внутр. характеристикой - барионным зарядом, равным,
как и у протона (р), + 1. H. были открыты в 1932 англ, физиком Дж. Чедвиком,
к-рый
установил, что обнаруженное нем. физиками В. Боте и Г. Бекером проникающее
излучение, возникающее при бомбардировке атомных ядер (в частности, бериллия)-частицами,
состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона.

H. устойчивы только в составе стабильных
атомных ядер. Свободный H.-нестабильная частица, распадающаяся на протон,
электрон (е-)и электронное антинейтрино ():
n-> p +e- +e;
ср. время жизни H. 16 мин.
В
веществе свободные H. существуют ещё меньше (в плотных веществах единицы
- сотни мксек) вследствие их сильного поглощения ядрами. Поэтому
свободные H. возникают в природе или получаются в лаборатории только в
результате ядерных реакций (см. Нейтронные источники). В свою очередь,
свободный H. способен взаимодействовать с атомными ядрами, вплоть до самых
тяжёлых; исчезая, H. вызывает ту или иную ядерную реакцию, из к-рых особое
значение имеет деление тяжёлых ядер, а также радиационный захват H., приводящий
в ряде случаев к образованию радиоактивных изотопов. Большая эффективность
H. в осуществлении ядерных реакций, своеобразие взаимодействия с веществом
совсем медленных H. (резонансные эффекты, ди-фракц. рассеяние в кристаллах
и т. п.) делают H. исключительно важным орудием исследования в ядерной
физике и физике твёрдого тела. В практич. приложениях H. играют ключевую
роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых элементов
и радиоактивных изотопов (искусств, радиоактивность), а также широко используются
в хим. анализе (активационный анализ) и в геологич. разведке (нейтронный
каротаж).

В зависимости от энергии H. принята
их условная классификация: ультрахолодные H. (до 10-⁷ эв), очень
холодные (10-⁷- 10-⁴эв), 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
(>= 10¹⁰ эв); все H. с энергией до 10⁵ эв объединяют
общим названием медленные нейтроны.

О методах регистрации H. см. Нейтронные
детекторы.
Основные характеристики нейтронов



Масса. Наиболее точно определяемой
величиной является разность масс H. и протона: т= (1,29344 ± 0,00007) Мэв, измеренная по энергетич. балансу различных
ядерных реакций. Из сопоставления этой величины с массой протона получается
(в энер-гетич. единицах) mт 1,6· 10-²⁴ г, или т1840 mгде тмасса электрона.



Спин и статистика. Значение
1/2 для спина H. подтверждается большой совокупностью фактов. Непосредственно
спин был измерен в опытах по расщеплению пучка очень медленных H. в неоднородном
магнитном поле. В общем случае пучок должен расщепиться на 2J + 1
отдельных пучков, где J - спин H. В опыте наблюдалось расщепление
на 2 пучка, откуда следует, что J=1/2. Как частица с полуцелым спином,
H. 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 H. в сильном электрич. поле
показывают, что по крайней мере Q<10-¹⁷e, где е - элементарный
электрич. заряд, а косв. измерения (по электрич. нейтральности макроскопич.
объёмов газа) дают оценку Q<2x10-²²e.



Другие квантовые числа нейтрона.
По
своим свойствам H. очень близок протону: n и р имеют почти равные массы,
один и тот же спин, способны взаимно превращаться друг в друга, напр, в
процессах бета-распада', они одинаковым образом проявляют себя в
процессах, вызванных сильным взаимодействием, в частности
ядерные
силы, действующие между парами p- p, n - p и n - n, одинаковы (если
частицы находятся соответственно в одинаковых состояниях). Такое глубокое
сходство позволяет рассматривать H. и протон как одну частицу - нуклон,
к-рая может находиться в двух разных состояниях, отличающихся электрич.
зарядом Q. Нуклон в состоянии с Q = + 1 есть протон, с Q = 0 - H. Соответственно,
нуклону приписывается (по аналогии с обычным спином) нек-рая внутренняя
характеристика - изотопический спин I равный 1/2,
"проекция" к-рого
может принимать (согласно общим правилам квантовой механики) 2I + 1 = 2
значения: + 1/2 и -1/2. T. о., n и p образуют изотопический дублет
(см. Изотопическая инвариантность): нуклон в состоянии с проекцией
изотопич. спина на ось квантования + 1/2 является протоном, а с проекцией
-1/2 - H. Как компоненты изотопич. дублета, H. и протон, согласно совр.
систематике элементарных частиц, имеют одинаковые квантовые числа: барионный
заряд В = + 1, лептонный заряд L=O, странность S = 0 и положительную
внутреннюю чётность. Изотопич. дублет нуклонов входит в состав более
широкой группы "похожих" частиц - т. н. октет барионов с J = 1/2, B
= 1 и положит, внутр. чётностью; помимо n и p в эту группу входят-,+-,°-,^--гипероны,
отличающиеся
от n и p странностью (см. Элементарные частицы).



Магнитный дипольный момент нейтрона,
определённый
из экспериментов по ядерному магнитному резонансу, равен:=-(1,91315±0,00007)где24эрг/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 H., так же как
аномальная величина магнитного момента протона (= 2,79эти частицы имеют сложную внутр. структуру, т. е. внутри них существуют
электрич. токи, создающие дополнит, "аномальный" магнитный момент протона
1,79ему по величине и противоположный по знаку магнитный момент H. (-1,9(см. ниже).



Электрический дипольный момент.
С
теоретич. точки зрения, электрич. дипольный момент d любой элементарной
частицы должен быть равен нулю, если взаимодействия элементарных частиц
инвариантны относительно обращения времени (Т-инвариантность). Поиски
электрич. дипольного момента у элементарных частиц являются одной из проверок
этого фундаментального положения теории, и из всех элементарных частиц
H.- наиболее удобная частица для таких поисков. Опыты по методу магнитного
резонанса на пучке холодных H. показали, что d10²³см-е.
Это
означает, что сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия с большой
точностью T-инвариантны.
Взаимодействия нейтронов

H. участвуют во всех известных взаимодействиях
элементарных частиц - сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном.



Сильное взаимодействие нейтронов.
H.
и протон участвуют в сильных взаимодействиях как компоненты единого изо-топич.
дублета нуклонов. Изотопич. инвариантность сильных взаимодействий приводит
к определённой связи между характеристиками различных процессов с участием
H. и протона, напр, эффективные сечения рассеяния⁺-мезона
на протоне и--мезона на H. равны,
т. к. системы⁺р и-n
имеют одинаковый изотопич. спин I=3/2 и отличаются лишь значениями проекции
изотопич. спина I(Iв первом и
I= -3/2 во втором случаях), одинаковы сечения рассеяния K⁺
на протоне и К° на H. и т. п. Справедливость такого рода соотношений экспериментально
проверена в большом числе опытов на ускорителях высокой энергии. [Ввиду
отсутствия мишеней, состоящих из H., данные о взаимодействии с H. различных
нестабильных частиц извлекаются гл. обр. из экспериментов по рассеянию
этих частиц на дейтроне (d) - простейшем ядре, содержащем H.]

При низких энергиях реальные взаимодействия
H. и протонов с заряженными частицами и атомными ядрами сильно различаются
из-за наличия у протона электрич. заряда, обусловливающего существование
дальнодействующих куло-новских сил между протоном и др. заряженными частицами
на таких расстояниях, на к-рых короткодействующие ядерные силы практически
отсутствуют. Если энергия столкновения протона с протоном или атомным ядром
ниже высоты кулоновского барьера (к-рая для тяжёлых ядер порядка 15 Мэв),
рассеяние
протона происходит в основном за счёт сил электростатич. отталкивания,
не позволяющих частицам сблизиться до расстояний порядка радиуса действия
ядерных сил. Отсутствие у H. электрич. заряда позволяет ему проникать через
электронные оболочки атомов и свободно приближаться к атомным ядрам. Именно
это обусловливает уникальную способность H. сравнительно малых энергий
вызывать различные ядерные реакции, в т. ч. реакцию деления тяжёлых ядер.
О методах и результатах исследований взаимодействия H. с ядрами см. в статьях
Медленные
нейтроны, Нейтронная спектроскопия, Ядра атомного деление.

Рассеяние медленных H. на протонах
при энергиях вплоть до 15 Мэв сферически симметрично в системе центра
инерции. Это указывает на то, что рассеяние определяется взаимодействием
n - p в состоянии относительного движения с орбитальным моментом количества
движения l=O (т. н. S-волна). Рассеяние в S-состоянии является специфически
квантовомеханич. явлением, не имеющим аналога в классич. механике. Оно
превалирует над рассеянием в др. состояниях, когда де-бройлевская длина
волны H. порядка или больше радиуса действия ядерных сил (h - постоянная
Планка, - скорость H.). Поскольку
при энергии 10 Мэв длина волны H. X = 2· 10-¹³см,
эта
особенность рассеяния H. на протонах при таких энергиях непосредственно
даёт сведения о порядке величины радиуса действия ядерных сил. Теоретич.
рассмотрение показывает, что рассеяние в S-состоянии слабо зависит от детальной
формы потенциала взаимодействия и с хорошей точностью описывается двумя
параметрами- эффективным радиусом потенциала r и т. н. длиной рассеяния
а.
Фактически
для описания рассеяния n - p число параметров вдвое больше, т. к. система
пр может находиться в двух состояниях, обладающих различными значениями
полного спина J = 1 (триплетное состояние) и J=O (синглетное
состояние). Опыт показывает, что длины рассеяния H. протоном и эффективные
радиусы взаимодействия в синглетном и триплет-ном 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
H.- протон. Длина ядерного рассеяния в синглетном состоянии, определённая
из опытов по рассеянию протонов на протонах (два протона в S-состоянии,
согласно Паули принципу, могут находиться только в состоянии с нулевым
суммарным спином), равна длине рассеяния n - p в синглетном состоянии.
Это согласуется с изотопич. инвариантностью сильных взаимодействий. Отсутствие
связанной системы пр в синглетном состоянии и изотопич. инвариантность
ядерных сил приводят к выводу, что не может существовать связанной системы
двух H.- т. н. би-нейтрон (аналогично протонам, два H. в S-состоянии 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
+³Н->⁴Не + 2n,-
+ d->2n + -согласуются с гипотезой
изотопич. инвариантности ядерных сил и отсутствием бинейтрона. [Если бы
существовал биней-трон, то в этих реакциях наблюдались бы при вполне определённых
значениях энергии пики в энергетич. распределениях соответственно-частиц
(ядер⁴Не) и-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 H.- нейтронных ядер.
Этот вопрос требует дальнейшего теоретического и экспериментального изучения.
Попытки обнаружить на опыте ядра из трёх-четырёх H., а также ядра ⁴H,
⁵H,
⁶H
не дали пока положит, результата.

Несмотря на отсутствие последовательной
теории сильных взаимодействий, на основе ряда существующих представлений
можно качественно понять нек-рые закономерности сильных взаимодействий
и структуры H. Согласно этим представлениям, сильное взаимодействие между
H. и др. адронами (напр., протоном) осуществляется путём обмена виртуальными
адронами (см. Виртуальные частицы) - л-мезонами, р-мезонами и др.
Такая картина взаимодействия объясняет короткодействующий характер ядерных
сил, радиус к-рых определяется комптоновской длиной волны самого
лёгкого адрона --мезона (равной 1,4·
10-¹³ см). Вместе с тем она указывает на возможность
виртуального превращения H. в др. адроны, напр, процесс испускания и поглощения-мезона:
n->p+^--> n. Известная из опыта
интенсивность сильных взаимодействий такова, что H. подавляющее время должен
проводить в подобного рода "диссоциированных" состояниях, находясь как
бы в "облаке" виртуальных я-мезонов и др. адронов. Это приводит к пространств,
распределению электрич. заряда и магнитного момента внутри H., физич. размеры
к-рого определяются размерами "облака" виртуальных частиц (см. также Формфактор).
В
частности, оказывается возможным качественно интерпретировать отмеченное
выше приблизительное равенство по абс. величине аномальных магнитных моментов
H. и протона, если считать, что магнитный момент H. создаётся орбитальным
движением заряженных--мезонов, испускаемых
виртуально в процессе n->p +^-->n,
а аномальный магнитный момент протона - орбитальным движением виртуального
облака+-мезонов, создаваемого процессом
p -> n +⁺ -> р.



Электромагнитные взаимодействия
нейтрона. Электромагнитные свойства H. определяются наличием у него
магнитного момента, а также существующим внутри H. распределением положит,
и отри-цат. зарядов и токов. Все эти характеристики, как следует из предыдущего,
связаны с участием H. в сильном взаимодействии, обусловливающем его структуру.
Магнитный момент H. определяет поведение H. во внешних электромагнитных
полях: расщепление пучка H. в неоднородном магнитном поле, прецессию спина
H. Внутр. электромагнитная структура H. проявляется при рассеянии электронов
высокой энергии на H. и в процессах рождения мезонов на H.-квантами
(фоторождение мезонов). Электромагнитные взаимодействия H. с электронными
оболочками атомов и атомными ядрами приводят к ряду явлений, имеющих важное
значение для исследования строения вещества.

Взаимодействие магнитного момента H.
с магнитными моментами электронных оболочек атомов проявляется существенно
для H., длина волны к-рых порядка или больше атомных размеров (энергия
Е<10эв), 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 H. (см. Поляризованные
нейтроны).

Взаимодействие магнитного момента H.
с электрич. полем ядра вызывает специфич. рассеяние H., указанное впервые
амер. физиком Ю. Швингером и потому называемое "швингеровскимк Полное сечение
этого рассеяния невелико, однако при малых углах (3°) оно становится сравнимым
с сечением ядерного рассеяния; H., рассеянные на такие углы, в сильной
степени поляризованы взаимодействие H.- электрон (n-е), несвязанное с собств.
или орбитальным моментом электрона, сводится в основном к взаимодействию
магнитного момента H. с электрич. полем электрона. Другой, по-видимому
меньший, вклад в (n-е)-взаимодействие может быть обусловлен распределением
электрич. зарядов и токов внутри H. Хотя (n-е)-взаимодействие очень мало,
его удалось наблюдать в неск. экспериментах.

Слабое взаимодействие нейтрона проявляется
в таких процессах, как распад H.: n -> p + e- + vэлектронного антинейтрино протоном: v + p ->
n + е⁺ и мюонного нейтрино ()
нейтроном: v + n -> p +-,
ядерный захват мюонов:-+ p -> n+
v,
распады странных частиц, напр.
->° + n, и т. д.

Гравитационное взаимодействие нейтрона.
H.- единственная из имеющих массу покоя элементарных частиц, для к-рой
непосредственно наблюдалось гравитац. взаимодействие - искривление в поле
земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка холодных H.
Измеренное гравитац. ускорение H. в пределах точности эксперимента совпадает
с гравитац. ускорением макроскопич. тел.

Нейтроны во Вселенной и околоземном
пространстве

Вопрос о количестве H. во Вселенной
на ранних стадиях её расширения играет важную роль в космологии. Согласно
модели горячей Вселенной (см. Космология), значительная часть первоначально
существовавших свободных H. при расширении успевает распасться. Часть H.,
к-рая оказывается захваченной протонами, должна в конечном счёте привести
приблизительно к 30%-ному содержанию ядер Не и 70%-ному - протонов. Экспериментальное
определение процентного состава Не во Вселенной - одна из кри-тич. проверок
модели горячей Вселенной.

Эволюция звёзд в ряде случаев приводит
к образованию нейтронных звезд, к числу к-рых относятся, в частности,
т. н. пульсары.

В первичной компоненте космических
лучей H. в силу своей нестабильности отсутствуют. Однако взаимодействия
частиц космич. лучей с ядрами атомов земной атмосферы приводят к генерации
H. в атмосфере. Реакция ¹⁴N(n,p) ¹⁴C, вызываемая
этими H.,- осн. источник радиоактивного изотопа углерода ¹⁴C
в атмосфере, откуда он поступает в живые организмы; на определении содержания
¹⁴C
в органич. остатках основан радиоуглеродный метод геохронологии.
Распад
медленных H., диффундирующих из атмосферы в околоземное космич. пространство,
является одним из осн. источников электронов, заполняющих внутр. область
радиационного
пояса Земли.

Лит.: Власов H. А., Нейтроны,
2 изд., M., 1971; Г у р е в и ч И. И., T ар а с о в Л. В., Физика нейтронов
низких энергий, M , 1965.

Ф. Л. Шапиро, В. И. Лущиков.