Взаимодействия нейтронов

  Нейтрон участвуют во всех известных взаимодействиях элементарных частиц — сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном.

Сильное взаимодействие нейтронов. Нейтрон 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 Нейтрон и протона, например эффективные сечения рассеяния p⁺-мезона на протоне и p^--мезона на Нейтрон 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 Нейтрон, данные о взаимодействии с Нейтрон различных нестабильных частиц извлекаются главным образом из экспериментов по рассеянию этих частиц на дейтроне (d) — простейшем ядре, содержащем Нейтрон]

  При низких энергиях реальные взаимодействия Нейтрон 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 Нейтрон электрического заряда позволяет ему проникать через электронные оболочки атомов и свободно приближаться к атомным ядрам. Именно это обусловливает уникальную способность Нейтрон сравнительно малых энергий вызывать различные ядерные реакции, в том числе реакцию деления тяжёлых ядер. О методах и результатах исследований взаимодействия Нейтрон с ядрами см. в статьях Медленные нейтроны, Нейтронная спектроскопия,Ядра атомного деление, Рассеяние медленных Нейтрон 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 Нейтрон

порядка или больше радиуса действия ядерных сил ( — постоянная Планка, v — скорость Нейтрон). Поскольку при энергии 10 Мэв длина волны Нейтрон

эта особенность рассеяния Нейтрон 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 Нейтрон 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 Нейтрон — 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 Нейтрон — так называемый бинейтрон (аналогично протонам, два Нейтрон 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 Нейтрон — нейтронных ядер. Этот вопрос требует дальнейшего теоретического и экспериментального изучения. Попытки обнаружить на опыте ядра из трёх-четырёх Нейтрон, 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 Нейтрон Согласно этим представлениям, сильное взаимодействие между Нейтрон 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^-13см). Вместе с тем она указывает на возможность виртуального превращения Нейтрон в др. адроны, например процесс испускания и поглощения p-мезона: n ® p + p^-® n. Известная из опыта интенсивность сильных взаимодействий такова, что Нейтрон 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 Нейтрон, 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 Нейтрон и протона, если считать, что магнитный момент Нейтрон 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 Нейтрон определяются наличием у него магнитного момента, а также существующим внутри Нейтрон распределением положительного и отрицательного зарядов и токов. Все эти характеристики, как следует из предыдущего, связаны с участием Нейтрон в сильном взаимодействии, обусловливающем его структуру. Магнитный момент Нейтрон определяет поведение Нейтрон во внешних электромагнитных полях: расщепление пучка Нейтрон в неоднородном магнитном поле, прецессию спина Нейтрон Внутренняя электромагнитная структура Нейтрон проявляется при рассеянии электронов высокой энергии на Нейтрон и в процессах рождения мезонов на Нейтрон g-квантами (фоторождение мезонов). Электромагнитные взаимодействия Нейтрон с электронными оболочками атомов и атомными ядрами приводят к ряду явлений, имеющих важное значение для исследования строения вещества. Взаимодействие магнитного момента Нейтрон с магнитными моментами электронных оболочек атомов проявляется существенно для Нейтрон, 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 Нейтрон (см. Поляризованные нейтроны).

Взаимодействие магнитного момента Нейтрон с электрическим полем ядра вызывает специфическое рассеяние Нейтрон, 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; Нейтрон, рассеянные на такие углы, в сильной степени поляризованы.

  Взаимодействие Нейтрон — электрон (n—e), не связанное с собственным или орбитальным моментом электрона, сводится в основном к взаимодействию магнитного момента Нейтрон с электрическим полем электрона. Другой, по-видимому меньший, вклад в (n—e)-взаимодействие может быть обусловлен распределением электрических зарядов и токов внутри Нейтрон Хотя (n—e)-взаимодействие очень мало, его удалось наблюдать в нескольких экспериментах.

Слабое взаимодействие нейтрона проявляется в таких процессах, как распад Нейтрон:

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. Нейтрон — единственная из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой непосредственно наблюдалось гравитационное взаимодействие — искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка холодных Нейтрон Измеренное гравитационное ускорение Нейтрон в пределах точности эксперимента совпадает с гравитационным ускорением макроскопических тел.

Нейтрон (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. 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^-7эв), очень холодные (10^-7—10^-4 эв), холодные (10^-4—5×10^-3эв), тепловые (5×10^-3—0,5 эв), резонансные (0,5—10⁴ эв), промежуточные (10⁴—10⁵эв), быстрые (10⁵—10⁸ эв), высокоэнергичные (10⁸—10¹⁰эв) и релятивистские (³ 10¹⁰ эв); все Н. с энергией до 10⁵эв объединяют общим названием медленные нейтроны.

  О методах регистрации Н. см. Нейтронные детекторы.

Основные характеристики нейтронов
Взаимодействия нейтронов
Нейтроны во Вселенной и околоземном пространстве