Нейтро́нная фи́зика, раздел физики, в котором изучается строение вещества с использованием нейтронного излучения. Основные направления нейтронной физики: фундаментальные свойства нейтрона, взаимодействие нейтронов с атомными ядрами, рассеяние нейтронов в конденсированном веществе, практические применения.

В своём развитии нейтронная физика прошла несколько этапов. Сначала она относилась к физике частиц (изучались свойства самого нейтрона) и к ядерной физике, которая и оформилась в современном виде после открытия нейтрона. Затем, на этапе создания ядерных реакторов и ядерных изделий, главной задачей нейтронной физики было научное обоснование этих сложнейших технологических процессов. В наши дни (начало 21 в.), благодаря прогрессу в создании интенсивных нейтронных источников для исследований на выведенных пучках, развитие нейтронной физики идёт по пути использования нейтронного излучения для изучения фундаментальных взаимодействий и симметрий, структуры и свойств атомных ядер и в основном структуры и свойств конденсированного состояния вещества (более 90 % времени измерений на выведенных пучках нейтронов). Исследования в этих столь разных областях физики объединены общей экспериментальной инфраструктурой – выполняются на ядерных реакторах и ускорителях заряженных частиц.

Фундаментальные свойства нейтрона

Согласно Стандартной космологической модели, нейтроны появились во Вселенной в первые доли секунды её жизни после Большого взрыва. На Земле свободные нейтроны образуются вблизи поверхности под действием космического излучения и в глубине при спонтанном и вынужденном делении атомных ядер. В результате в открытом пространстве на Земле на 1 м² в каждую секунду падает до 10 нейтронов. Однако экспериментальное доказательство существования нейтрона было получено только в 1932 г. Дж. Чедвиком (Нобелевская премия по физике, 1935).

Открытие нейтрона (от лат. neuter – ни тот ни другой) имело принципиальное значение для физики. Оно изменило устоявшееся представление о том, что частицы вещества обязательно должны иметь электрический заряд. Заряд нейтрона принято считать равным нулю; при достигнутой в настоящее время (на 2022) точности измерений он равен (–0,4 ± 1,1)·10^–21·$e$, где $e$ – элементарный электрический заряд.

После открытия нейтрона начался новый этап развития ядерной физики (и, как следствие, всей физики), повлёкший за собой освоение ядерной энергии. Было установлено, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, называемых нуклонами. Нейтрон (масса которого на 0,1378 % больше массы протона), как и протон, является фермионом со спином 1/2 в единицах постоянной Планка, стабилен только в составе атомных ядер. В свободном состоянии нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино, с временем жизни около 880 с. Это значение постоянно уточняется.

Рис. 1. Распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино.Рис. 1. Распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино.В 1934 г. С. А. Альтшулер и И. Е. Тамм предсказали, что нейтрон должен иметь магнитный момент, хотя согласно теории элементарных частиц Дирака у электрически нейтрального нейтрона он должен быть равен нулю. Эксперимент подтвердил это предсказание; было обнаружено, что магнитный момент нейтрона с точностью до седьмого знака после запятой равен (–1,9130427)$\mu_{яд}$ (где $\mu_{яд}$ – ядерный магнетон, а знак «минус» означает, что магнитный момент направлен противоположно спину). Это свидетельствует о сложной структуре нейтрона, который (как и протон) не является элементарной частицей. В современной квантовой хромодинамике считается, что нейтроны и протоны состоят из трёх кварков (рис. 1).

Нейтронная физика на начальном этапе развивалась как раздел физики частиц, поскольку первая задача состояла в изучении свойств самого нейтрона. Это направление сохраняется и сегодня, поскольку с нейтроном связан целый ряд фундаментальных проблем современной физики. Как одна из основных частиц, нейтрон предоставляет уникальную возможность для проверки современных теорий, в том числе за пределами Стандартной модели физики элементарных частиц. Поскольку нейтрон участвует во всех видах известных фундаментальных взаимодействий, то исследование его электромагнитных свойств, а также слабых и сильных взаимодействий с его участием позволяет понять, как устроены частицы и как они взаимодействуют, и в то же время проникнуть в тайны образования и строения Вселенной. Поэтому эксперименты по изучению фундаментальных свойств нейтрона, такие как уточнение времени жизни нейтрона, поиск и измерение электрического дипольного момента нейтрона, поиск нейтронных осцилляций (нейтрон-антинейтронных и нейтрон-зеркальнонейтронных), измерение гравитационной массы нейтрона, постоянно совершенствуются с целью повышения точности измерений фундаментальных величин.

Измерение времени жизни нейтрона с большой точностью важно по многим причинам. Оно позволяет определить константу слабого взаимодействия для лёгких кварков, из которых состоит нейтрон. Знание периода полураспада нейтрона необходимо для понимания физических процессов, происходящих на Солнце. В космологии период полураспада нейтрона связан со скоростью образования гелия в ранней Вселенной.

Проблема существования электрического дипольного момента нейтрона тесно связана со свойствами симметрии процессов с участием элементарных частиц. Отличное от нуля значение электрического дипольного момента было бы однозначным подтверждением нарушения симметрии по отношению к обращению времени в законах взаимодействия элементарных частиц. Получение всё более точной верхней оценки величины электрического дипольного момента нейтрона имеет большое значение для проверки теорий, объединяющих все фундаментальные взаимодействия, а также для понимания барионной асимметрии Вселенной. С этой проблемой связаны и поиски нейтрон-антинейтронных осцилляций.

В распаде нейтрона участвует нейтрино (точнее, антинейтрино) – элементарная частица, на которой в настоящее время сконцентрировано внимание научного сообщества. Проблема нейтрино актуальна для физики элементарных частиц, космологии и астрофизики. Нейтрино рассматривается как один из главных претендентов на частицу тёмной материи. Кроме того, остаётся неразгаданным аномальное поведение антинейтрино из ядерных реакторов.

Особую роль в современной нейтронной физике играют нейтроны ультранизких энергий, меньше 10^–7 эВ (ультрахолодные нейтроны, УХН). Благодаря своей очень большой (порядка 100 нм) длине волны УХН взаимодействуют с веществом подобно световым волнам и испытывают полное отражение от стенок сосудов из различных материалов. Малые скорости делают их также чувствительными к гравитационному полю Земли. Поэтому можно «налить» УХН в сосуд (ловушку) и измерять скорость уменьшения числа нейтронов в ловушке за счёт их распада. Помимо традиционных экспериментов по уточнению времени жизни и электрического дипольного момента нейтрона, в последние годы с использованием УХН активно развиваются исследования квантовых состояний материи в гравитационном поле.

Теоретическое рассмотрение возможности удержания УХН было впервые опубликовано Я. Б. Зельдовичем в 1959 г. Экспериментально они были обнаружены Ф. Л. Шапиро с сотрудниками в 1968 г. на первом в мире импульсном периодическом реакторе в Дубне. Определяющий вклад в исследования УХН внесла коллаборация НИЦ «Курчатовский институт – Петербургский институт ядерной физики (ПИЯФ, Гатчина)» – Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) и Международный институт Лауэ – Ланжевена (ИЛЛ, Гренобль, Франция) в результате многолетних экспериментов на реакторе ИЛЛ.

Производство нейтронов для физических исследований

Использование нейтронов началось с открытия в 1934 г. Э. Ферми эффекта замедления нейтронов до энергии около 1/40 эВ, что соответствует примерно комнатной температуре замедлителя нейтронов. Ферми назвал такие нейтроны тепловыми. Вместе с сотрудниками он провёл систематические исследования механизмов столкновения нейтронов с атомными ядрами, замедления и диффузии нейтронов и тем самым заложил основы нейтронной физики и практического использования ядерной энергии. Первый ядерный реактор был построен под руководством Ферми в 1942 г. в Чикаго.

Открытие нейтрона стимулировало работы по ядерной физике во всём мире. В СССР исследования в этой области, по существу, и начались с этого времени под влиянием С. И. Вавилова, А. Ф. Иоффе, Д. В. Скобельцына. В 1932 г. Д. Д. Иваненко независимо от В. Гейзенберга предложил протонно-нейтронную модель ядра, в 1934 г. И. Е. Тамм заложил основы теории ядерных сил, в 1935 г. И. В. Курчатов с сотрудниками выполнили пионерские работы по ядерной изомерии при радиационном захвате нейтронов, в 1936 г. Я. И. Френкель предложил капельную модель ядра. Однако систематические работы в СССР начались после 1939 г., когда было открыто деление тяжёлых ядер под действием нейтронов (О. Ган и Ф. Штрассман, Л. Майтнер и О. Фриш) и стали понятны перспективы использования выделяемой при этом гигантской энергии. В 1939–1940 гг. Я. Б. Зельдович и Ю. Б. Харитон создали теорию деления ядер и теорию цепного ядерного процесса этой реакции, затем были проведены теоретические и экспериментальные работы с участием И. И. Гуревича, И. Я. Померанчука, Л. И. Русинова, Г. Н. Флёрова и многих других. С 1943 г. под руководством И. В. Курчатова началась масштабная работа, которая завершилась в декабре 1946 г. созданием в Москве первого в Европе и Азии ядерного уран-графитового реактора Ф-1.

С конца 1950-х гг. 20 в. в мире (в том числе и в СССР) начался реакторный бум. Ядерные реакторы строились для исследований и для престижа – наличие ядерных реакторов служило показателем научно-технического уровня страны. Реакторы использовались как для облучения в центральных каналах, так и для исследований на выведенных пучках. Первым реактором такого типа в России стал реактор ИРТ, сооружённый в 1957 г. в Москве, в Институте атомной энергии (сегодня НИЦ «Курчатовский институт», Москва), где были проведены первые в стране исследования структуры и динамики твёрдых тел методами рассеяния нейтронов. Реактор ИРТ отличали конструктивная простота и надёжность, и он стал родоначальником серии исследовательских пучковых реакторов, которые по инициативе И. В. Курчатова и при участии и под руководством сотрудников Курчатовского института были построены в СССР и странах Восточной Европы. Среди них реакторы ВВР-М в Гатчине (1959), СМ в Димитровграде (1961), ВВР-Ц в Обнинске (1964), ИВВ-2М в Заречном (1966), ИРТ МИФИ в Москве (1967), ставшие основой ведущих научных центров нейтронных исследований в России. В эти же годы в Объединённом институте ядерных исследований по инициативе и под руководством Д. И. Блохинцева был создан (1960) исследовательский реактор для выведенных пучков нового типа – импульсный периодический реактор на быстрых нейтронах ИБР. Впоследствии была создана серия таких реакторов. С начала 1970-х гг. 20 в. начался этап специализированных реакторов с высокой плотностью потока нейтронов (высокоинтенсивные реакторы) для исследований на выведенных пучках, а с середины 1980-х гг. появились высокоинтенсивные импульсные источники на основе протонных ускорителей и импульсный быстрый реактор ИБР-2.

Все нейтронные источники основаны на использовании ядерных превращений, в которых испускаются нейтроны. В ядерных реакторах, используются реакции деления изотопа урана-235, в результате которой выделяется 2 или 3 нейтрона (в среднем 2,5). Нейтроны деления имеют среднюю энергию около 1 МэВ. Нейтроны с энергией от 0,1 до 14 МэВ получили название быстрых. Однако сечение деления $^{235}\text{U}$ нейтронами с энергией $\leq$ 1/30 эВ приблизительно в 450 раз больше, чем быстрыми нейтронами. Поэтому для эффективного использования данной реакции нейтроны замедляют в специальных устройствах – замедлителях – за счёт столкновения исходных нейтронов с веществом замедлителя. Такие реакторы называют тепловыми. Замедление может быть неполным (т. е. не достигать тепловой области), когда нейтроны поглощаются в основном при энергиях, соответствующих нейтронным резонансам в ядрах при энергии от 1 эВ до 0,1 МэВ. Такой реактор называется реактором на резонансных нейтронах, или промежуточным. Реактор без замедлителя работает на быстрых нейтронах. Такие реакторы называют реакторами на быстрых нейтронах, или быстрыми реакторами.

Деление нейтронов по энергиям на быстрые, тепловые и промежуточные, возникшее в связи с созданием ядерных реакторов, впоследствии получило детализацию в зависимости от области применения (таблица 1).

Таблица 1. Нейтроны в физических исследованиях

Рис. 2. Схематическое изображение вывода нейтронов из реактора для проведения экспериментальных исследований. Иллюстрация: Ирина Гончарова, Виктор Аксёнов.Рис. 2. Схематическое изображение вывода нейтронов из реактора для проведения экспериментальных исследований. Иллюстрация: Ирина Гончарова, Виктор Аксёнов.Вывод нейтронов из ядерного реактора для исследований на выведенных пучках нейтронов схематически изображён на рис. 2. Расчёт конфигурации активной зоны ядерного реактора, где находится ядерное топливо, всех элементов конструкции, показанных на рисунке, составляют предмет нейтронно-физических расчётов. В нейтронной физике вопросы, связанные с движением нейтрона как частицы в различных средах, возникают во многих практических приложениях: при конструировании источников нейтронов, как реакторов и мишеней для ускорителей, так и замедлителей нейтронов; формировании нейтронных пучков; создании нейтроноводных систем.

Кроме того, на рис. 2 схематически показана организация экспериментов по упругому и неупругому рассеянию нейтронов на кристалле. В случае определения структуры кристалла (правая часть рисунка) используется кристалл-монохроматор для фиксирования длины волны нейтронов, исследуемый образец и детектор упруго рассеянных нейтронов. В случае изучения динамики кристалла дополнительно нужен кристалл-анализатор, поскольку в результате неупругого рассеяния нейтронов энергия падающего нейтрона меняется. В эксперименте измеряют это изменение энергии.

Рис. 3. Фурье-дифрактометр высокого разрешения на реакторе ИБР-2 в лаборатории нейтронной физики имени И. М. Франка, ОИЯИ (Дубна). Фото: Елена Пузынина.Рис. 3. Фурье-дифрактометр высокого разрешения на реакторе ИБР-2 в лаборатории нейтронной физики имени И. М. Франка, ОИЯИ (Дубна). Фото: Елена Пузынина.На рис. 3 для иллюстрации схемы рис. 2 приведена фотография экспериментальной установки по рассеянию нейтронов на исследовательском реакторе ИБР-2 в ОИЯИ. Запечатлён момент установки образца для исследований. Подробнее об организации исследований по рассеянию нейтронов см. в статье Нейтронография.

Для исследований на выведенных пучках основной интерес представляют нейтроны с энергией < 1 эВ. Современное деление таких нейтронов на группы представлено в таблице 2. В определённой степени оно носит условный характер, ввиду размытости границ, зависящих от свойств замедлителя, но в целом соответствует энергетическим и пространственным масштабам исследуемых объектов.

Таблица 2. Классификация медленных нейтронов

Нейтроны с энергией < 1 эВ называют медленными нейтронами. Эта условная граница была введена Ферми на основе ряда обнаруженных различий в поведении нейтронов выше и ниже этой границы. В частности, при энергии ниже 1 эВ меняется характер дальнейшего замедления нейтронов (средняя длина свободного пробега сокращается в четыре раза), меняется поведение нейтронов при упругом столкновении с водородом (угловое распределение нейтронов после соударения становится изотропным). Важно также, что при описании взаимодействия нейтронов низких энергий с веществом нет необходимости в последовательной теории ядерных сил, которая до сих пор не создана. Потенциал ядра может быть представлен неким эффективным потенциалом.

Названия групп нейтронов в таблице 2 обусловлены температурой замедлителей, которые используются для уменьшения энергии нейтронов (увеличения длины волны) по отношению к тепловым нейтронам, извлекаемых из канала теплового реактора. Распределение по скоростям тепловых нейтронов близко к распределению Максвелла с максимумом примерно при 2,6 мэВ. Спектр тепловых нейтронов лежит в интервале от 10 до 100 мэВ – это лишь малая часть всего возможного спектра нейтронов в реакторе, который простирается от 0 до 10 МэВ. В последние годы, в связи с возросшим интересом к некристаллическим материалам, таким как полимеры, коллоиды, биологические объекты, наноструктурированные материалы, всё большее распространение получают нейтроны с энергией от 0,1 до 10 мэВ (что соответствует температурному интервалу 5,8–58 К), с длиной волны > 0,4 нм (т. н. холодные нейтроны). Дальнейшее понижение температуры замедлителя позволяет ещё уменьшить энергию нейтронов (увеличить длину волны) и перейти к очень холодным нейтронам с энергией от 0,1 до 0,0001 мэВ. Ультрахолодные нейтроны имеют эффективную температуру около 10^–3 К. Функция замедлителей состоит в увеличении выхода нейтронов в данном диапазоне энергий.

Для увеличения выхода горячих (надтепловых) нейтронов с энергией в интервале от 0,1 до 1 эВ используют «горячие источники». В отличие от тепловых ядерных реакторов непрерывного действия импульсные источники на базе ускорителей и импульсные реакторы на быстрых нейтронах имеют более широкий (на несколько порядков) диапазон энергий со стороны больших энергий.

Взаимодействие нейтронов с атомными ядрами

Хотя атомные ядра изучаются много десятилетий, ядерная физика ещё далека от создания модели исчерпывающего описания структуры ядер и ядерных сил, аналогично Стандартной модели элементарных частиц. Имеется несколько базовых моделей, которые постоянно совершенствуются под влиянием экспериментальных данных. В основном эти эксперименты проводятся со стабильными или близкими к стабильным ядрами, у которых число протонов и нейтронов примерно одинаково. Таких ядер в природе меньше 10 % (285 ядер из известных 3500). Схематическая карта атомных ядер, которые состоят из различных комбинаций протонов и нейтронов показана на рис. 4. Согласно теоретическим оценкам, возможно более 10 тыс. таких комбинаций.

Рис. 4. Нейтронно-протонная карта атомных ядер.Рис. 4. Нейтронно-протонная карта атомных ядер.На этой карте каждому ядру соответствует определённое положение на плоскости с осями N (число нейтронов) и Z (число протонов). Чёрным цветом обозначена полоса стабильности. По обеим сторонам полосы стабильности расположены области неустойчивых (радиоактивных) ядер, ограниченные границами устойчивости относительно увеличения в ядре протонов или нейтронов. Жёлтым цветом на рисунке обозначена область известных ядер. Далее располагаются области ядер с большим избытком протонов или нейтронов, которые называются экзотическими ядрами. Протонная граница устойчивости известна, а вот нейтронная граница устойчивости (синяя линия) известна только в её начальной части. Зелёная линия обозначает область быстрых захватов ядром нейтронов в процессе образования химических элементов.

Двигаясь вдоль полосы стабильности в сторону тяжёлых элементов, можно перейти в зону спонтанного деления, которое было открыто К. А. Петржаком и Г. Н. Флёровым в 1940 г. В правом верхнем углу расположена область сверхтяжёлых ядер с Z = 109–118. Несколько новых ядер были открыты в Дубне и получили названия: флеровий (114) (в честь лаборатории ядерных реакций имени Г. Н. Флёрова ОИЯИ), московий (115) (в честь Московской области, где находится ОИЯИ), оганесон (118) (в честь Ю. Ц. Оганесяна). Теоретики предсказывают наличие в этой области при Z = 110–114 острова стабильности.

Из всех ядерных взаимодействий наиболее обширным и разнообразным является взаимодействие с нейтронами. В отличие от заряженных частиц, взаимодействие которых с ядром ограничено кулоновским барьером, нейтроны взаимодействуют с ядром и при низких энергиях. Ядерные реакции под действием медленных нейтронов играют большую роль в нейтронной физике. За открытие этих реакций и за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, Э. Ферми в 1938 г. был удостоен Нобелевской премии по физике.

При столкновении медленных нейтронов с ядрами, кроме упругого рассеяния в поле ядерных сил (потенциальное рассеяние), возможно проникновение нейтрона в ядро. Для описания этого процесса используется модель Бора составного (компаунд) ядра. Составное ядро – это сильно возбуждённое ядро с массовым числом на единицу большим массового числа исходного ядра. Снятие возбуждения может происходить несколькими путями, называемыми каналами реакции. В случае медленных нейтронов эти реакции являются резонансными, и наиболее вероятными являются реакция упругого резонансного рассеяния [$(n, n)$-реакция с вылетом нейтрона] и реакция радиационного захвата [$(n, g)$-реакция с вылетом гамма-кванта], которые энергетически возможны при взаимодействии нейтронов любых энергий с любыми ядрами, за исключением ядра $^4\text{He}$, на котором $(n, g)$-реакция не происходит.

Сечение рассеяния в области низких энергий пропорционально $1/\mathcal{v}$ ($\mathcal{v}$ – скорость нейтрона), а в области резонанса описывается формулами, полученными Г. Брейтом и Ю. Вигнером на основе модели Бора. Формула Брейта – Вигнера и представления Бора о промежуточном ядре были подтверждены методами нейтронной спектроскопии, которые позволяют выделять нейтроны данной энергии из непрерывного спектра.

В исследованиях с резонансными нейтронами методы нейтронной спектроскопии дают детальную информацию о спектрах возбуждений ядер. При переходе к промежуточным энергиям наблюдается сглаживание нейтронных сечений из-за перекрытия соседних резонансов, количество которых увеличивается с увеличением энергии возбуждения ядра.

Быстрые нейтроны могут испытывать неупругое рассеяние на ядрах, отдавая часть своей энергии на возбуждение ядра и вызывая ядерные реакции с испусканием нейтронов, протонов и альфа-частиц. Сечения этих реакций выше характерного энергетического порога, имеют плавную зависимость от энергии нейтронов, и их исследование позволяет определить величину и свойства взаимодействия между составляющими ядро нуклонами.

Некоторые реакции захвата нейтрона ядром используются для защиты от нейтронного излучения, для регистрации нейтронов в нейтронных детекторах.

В настоящее время (начало 21 в.) к наиболее актуальным задачам нейтронной ядерной физики можно отнести:

1. Поиск и изучение новых эффектов нарушения пространственной чётности и временной инвариантности.

2. Всестороннее исследование процесса деления ядер: измерение массово-энергетических и угловых распределений осколков, мгновенных нейтронов и гамма-квантов; измерение запаздывающих нейтронов и гамма-квантов; поиск редких и экзотических мод деления (четверное и пятерное деление; деление на три осколка сравнимой массы; рождение пи-мезонов (пионов) в делении, сверхплотные ядра, холодная фрагментация, деление под действием поляризованных нейтронов).

3. Получение данных для ядерной энергетики и астрофизики: измерение интегральных и дифференциальных нейтронных сечений, угловых корреляций в области энергии от 10^–4 эВ до примерно 1 ГэВ.

4. Изучение структуры атомных ядер с использованием нейтронно-ядерных взаимодействий: измерение и теоретическое описание радиационных силовых функций, плотности уровней различных ядер.

Особый интерес вызывает область нейтронно-протонной карты атомных ядер (рис. 4), расположенная за областью известных ядер справа от полосы стабильности, поскольку исследование экстремально возбуждённых ядер может дать важную информацию при изучении моделей ядра и ядерных сил. Одна из актуальных задач нейтронной ядерной физики состоит в получении на реакторах экзотических ядер и изучении их свойств, что открывает возможность исследования астрофизических процессов в наземных лабораториях.

Рассеяние нейтронов в конденсированном веществе

Будучи квантовой частицей, нейтрон в различных условиях может проявлять как корпускулярные, так и волновые свойства. Для тепловых нейтронов длина волны соответствует типичным межатомным расстояниям в конденсированных средах, а энергия сравнима с энергиями их элементарных возбуждений, что позволяет одновременно исследовать и структуру вещества (организацию его атомов и молекул), и динамику (взаимодействие между атомами и молекулами).

Проявление волновых свойств при взаимодействии с веществом определяется отношением длины волны нейтрона к размерам рассеивающего объекта. Чем меньше это отношение, тем слабее проявляются волновые свойства нейтрона. Поглощение нейтронов в веществе на расстоянии, сравнимом с длиной их волны, очень мало, а ослабление пучка нейтронов определяется процессами рассеяния. Сильно выраженные волновые свойства нейтронов обусловливают поведение, типичное для оптики фотонов: преломление нейтронных волн на границе раздела двух сред, полное отражение, дифракцию, рассеяние на малые углы.

Чем меньше энергия нейтрона, тем больше проявляются его волновые свойства в веществе согласно соотношению:

$\displaystyle \lambda = \frac{0,0286}{ \sqrt[]{E} } [нм].$Из этого выражения следует, что для тепловых нейтронов с энергией $Е=1/40$ эВ длина волны $\lambda= 0,18$ нм, а это соответствует типичным межатомным расстояниям в кристаллах. В этом случае может проявляться когерентность движения атомов (молекул) вещества, которая будет приводить к интерференции когерентно рассеянных волн, что и обусловливает явления оптического характера.

Оптические аналогии в свойствах нейтрона наблюдаются в различных диапазонах энергий, в том числе на ядерном масштабе, как в случае резонансного поглощения и рассеяния нейтронов свободными ядрами. Волновая природа нейтрона здесь сказывается в избирательной способности к поглощению и рассеянию с определённой энергией, а именно в заметно большей вероятности поглощения и рассеяния при этих энергиях, по сравнению с ожидаемыми из геометрических соображений.

Раздел нейтронной физики, в котором изучают явления, обусловленные существенно волновой природой нейтрона, называют нейтронной оптикой, которая вместе с теорией рассеяния медленных нейтронов является основой нейтронографии.

Однако между нейтронной оптикой и оптикой электромагнитного излучения имеются и существенные различия. В первую очередь это связано с различной природой взаимодействия с веществом. Низкоэнергетическое электромагнитное излучение взаимодействует в веществе с электронными оболочками атомов, и поэтому характеристики этого взаимодействия носят регулярный характер (оно тем сильнее, чем тяжелее атом) и могут быть вычислены в теории электромагнитного взаимодействия. Взаимодействие нейтронов с атомами более разнообразно, в частности в отличие от электромагнитного, нейтронное взаимодействие имеет изотопную и спиновую зависимости, вследствие чего нейтронная оптика имеет определённые преимущества.

При сравнении нейтронных волн с рентгеновскими нужно учитывать, что нейтрон, в отличие от фотона, имеет массу. Длина волны нейтронов обратно пропорциональна их скорости, и отсюда – одно из существенных отличий оптики нейтронов от оптики рентгеновских лучей. В экспериментах по дифракции рентгеновских лучей в кристаллах выделяют определённую длину волны $\lambda$ и эмпирически ищут угол рассеяния $q$. Например, в дифракции эти величины связаны условием Брэгга – Вульфа:

$2d \sin \theta _B=n \lambda ,$где $d$ – расстояние между отражающими рентгеновские лучи плоскостями в кристалле, $\theta _B$ – угол между направлением луча и поверхностью этих плоскостей (угол Брэгга) и $n$ – целое число. При этом угол падения должен быть равен углу отражения (зеркальное отражение).

Соотношение Брэгга – Вульфа применимо и к дифракции нейтронных волн. Поэтому обычная схема постановки опыта по дифракции нейтронов в принципе такая же, как по дифракции рентгеновских лучей с использованием фиксированной длины волны (монохроматического пучка). Однако существует и другой подход: можно фиксировать угол Брэгга, и тогда дифракционные максимумы будут регистрироваться при некоторых дискретных значениях длин волн, например для $θ ≈ 45°$ максимум с $d_1$ будет зарегистрирован при $λ ≈ 0,33$ нм. Организация нейтронного дифракционного эксперимента по этому варианту возможна благодаря двум обстоятельствам: энергетический спектр нейтронов от источника имеет непрерывный характер; скорость тепловых нейтронов невелика и может быть легко измерена с использованием метода времени пролёта.

В этом методе, который является основным при работе на импульсных источниках нейтронов (т. е. источниках, периодически испускающих нейтроны в виде относительно коротких импульсов), измеряется время t, затрачиваемое нейтроном на пролёт расстояний от источника до образца и затем от образца до детектора.

Метод времени пролёта в силу некоторых своих особенностей исключительно эффективен как в дифракционных, так и в других типах экспериментов по рассеянию нейтронов в конденсированных средах и в настоящее время успешно развивается.

Первым из наблюдаемых нейтронно-оптических явлений стала брэгговская дифракция нейтронных волн, которая была продемонстрирована в 1936 г. в простом опыте по отражению от кристаллов $\text{MgO}$ нейтронов, получаемых в реакции $^9\text{Be}( \alpha ,n)^{12}\text{C}$ от радиоактивного источника, окружённого парафиновым замедлителем. Низкая (10⁷–10⁸ н/с) интенсивность источников не позволяла использовать это явление для структурных исследований. Такая возможность появилась после создания ядерных реакторов.

Можно выделить следующие основные характеристики нейтронного излучения, которые отличают его от других видов излучений и дают перспективу применения:

1. Слабое возмущение вещества нейтронами низких энергий определяет бо́льшую проникающую способность нейтронов, что позволяет изучать объёмные материалы и использовать в эксперименте дополнительные устройства, такие как камеры высокого давления, печи, сложные криостаты, электромагниты и пр. Другой аспект слабого возмущения связан с тем, что нейтроны не разрушают изучаемую систему, что особенно важно при исследовании биологических систем.

2. Сильная чувствительность к водороду определяет активное использование рассеяния нейтронов в изучении водородосодержащих веществ (в отличие, например, от рентгеновского излучения).

3. Значительное различие в рассеивающих свойствах разных изотопов одного и того же атома даёт широкие возможности изотопного замещения, особенно в водородосодержащих соединениях (замещение водорода на дейтерий), и позволяет «затемнять» или «выделять» отдельные атомы или атомные области в веществе.

4. Взаимодействие нейтронов с атомами магнитных материалов позволяет использовать магнитное рассеяние нейтронов для восстановления распределения намагниченности в веществе и определения величины и направления магнитных моментов атомов.

Характерной чертой современного развития методов рассеяния нейтронов является возможность существенного расширения диапазона используемых длин волн нейтронов в сторону бо́льших значений $\lambda$ (> 1 нм, холодные нейтроны) за счёт дополнительных к реактору холодных источников нейтронов (или холодных замедлителей), работающих при температуре жидкого гелия. Это позволяет одновременно с наноуровнем (1–100 нм) охватывать бóльшие размеры (до 500 нм и выше), что особенно актуально для структурных исследований, прежде всего, сложных биологических комплексов.

Рис. 5. Схема поляризации нейтронного пучка.Рис. 5. Схема поляризации нейтронного пучка.Важную роль в нейтронной физике играют поляризованные нейтроны. Их получают различными способами, например пропуская исходные неполяризованные нейтроны через специальное устройство – поляризатор. На рис. 5 показан пример поляризатора, в котором используется нейтронно-оптический эффект преломления нейтронных волн. Белый (неполяризованный) пучок нейтронов падает на поверхность раздела вакуума и вещества с магнитной индукцией $\boldsymbol B$ (рис. 5а). В веществе пучок разделяется на два, в одном из которых нейтроны имеют проекцию спина, ориентированную по направлению вектора индукции, а в другом – противоположно. Если уменьшать угол $\alpha$ между осью падающего пучка и поверхностью, то при некотором значении $\alpha$₁ ближний к поверхности пучок нейтронов выйдет из вещества (рис. 5а) – наступит полное зеркальное отражение для пучка, в котором все нейтроны имеют одинаковую проекцию спина по направлению магнитного поля в веществе. Таким образом, получают пучки поляризованных нейтронов, которые служат основой ряда эффективных методов в современной нейтронографии.

Поляризованные нейтроны широко используются и в ядерной физике для изучения спиновой зависимости нейтронных сечений, измерения амплитуд рассеяния. Особенно эффективным оказалось использование поляризованных нейтронов в изучении нарушения пространственной чётности и нарушения временной инвариантности в ядерных реакциях с нейтронами.

В случае магнитного рассеяния нейтрон может с некоторой вероятностью сохранить свою поляризацию, а может поменять её на противоположную. Дифференциальное сечение рассеяния различается для этих двух видов рассеяния и может быть рассчитано исходя из распределения намагниченности внутри системы. Для разделения этих двух видов рассеяния перед детектором устанавливают другое устройство – анализатор, который пропускает нейтроны с заданной поляризацией. И поляризатор, и анализатор имеют дело с одной фиксированной поляризацией нейтронов. Для изменения поляризации пучка нейтронов перед рассеянием и после рассеяния используют дополнительные устройства – спин-флипперы (дословно «перебрасывающие спин»). Учитывая, что после рассеяния появляются две компоненты поляризации, а возможных поляризаций до рассеяния также две, в ходе эксперимента с поляризованными нейтронами можно получить четыре вида сечения рассеяния, отвечающие различным комбинациям поляризации до и после рассеяния. Каждое из них можно рассчитать, исходя из предполагаемой структуры системы, повышая, таким образом, надёжность используемой модели и точность определяемых значений её параметров.

Исследования конденсированного вещества методами рассеяния медленных нейтронов были начаты Э. Ферми с сотрудниками на созданном в 1944 г. в Аргоннской национальной лаборатории (США) тяжеловодном ядерном реакторе Chicago Pile, СР-3. В это же время наблюдалось полное отражение нейтронов от полированной поверхности. Одновременно Э. Волланом с сотрудниками были начаты структурные исследования с использованием дифракции нейтронов на другом ядерном реакторе в США – графитовом реакторе Clinton Pile мощностью 3 МВт, созданном в конце 1943 г. в Ок-Риджской национальной лаборатории (США). Здесь с участием К. Шалла были проведены первые дифракционные эксперименты и впервые была расшифрована антиферромагнитная структура (1948). Несколько позже Б. Брокхаузом на реакторе NRX в канадском ядерном исследовательском центре Чолк-Ривер были проведены эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов (1952) на созданном им первом трёхосном спектрометре с целью изучения атомной динамики в кристаллах и жидкостях. После этого стало окончательно ясно, что рассеяние нейтронов является исключительно мощным экспериментальным методом изучения свойств вещества на атомном уровне. За эти пионерские исследования К. Шалл и Б. Брокхауз в 1994 г. были удостоены Нобелевской премии по физике.

В СССР нейтронные исследования конденсированных сред были начаты на исследовательском реакторе ИРТ в институте атомной энергии (ныне Курчатовский институт). Первые, поначалу эпизодические, в основном дифракционные эксперименты на ИРТ выполнялись силами специалистов из твердотельных и физико-химических академических институтов под руководством Р. П. Озерова. Систематические работы начались в середине 1960-х гг., после того как в Институте атомной энергии были организованы группы, занимавшиеся неупругим рассеянием нейтронов (М. Г. Землянов, Н. А. Черноплёков) и структурными исследованиями (В. А. Соменков, С. Ш. Шильштейн). В это же время в ОИЯИ в Дубне под руководством Ф. Л. Шапиро начались первые в мире структурные исследования методом времени пролёта на первом в мире импульсном периодическом реакторе на быстрых нейтронах ИБР.

Продолжительное время основными методами исследования оставались дифракция нейтронов и нейтронная спектроскопия. Постепенно сформировались многие другие экспериментальные методы, такие как метод малоуглового рассеяния, нейтронная рефлектометрия, техника спинового эха и другие, в настоящее время уже широко применяемые. К традиционным исследованиям добавились новые, например исследования многослойных структур, конформаций макромолекул в растворах, липидных мембран, кинетики необратимых процессов в кристаллах (твердофазные химические реакции, изотопный обмен), многочисленные инженерные приложения. Резко расширились границы диапазона внешних воздействий на исследуемый образец, в рамках которых возможны эксперименты: по температуре – это от тысячных долей кельвина до нескольких тысяч кельвинов, по магнитному полю – до нескольких десятков тесла, по давлению – до нескольких десятков гектопаскалей. С увеличением нейтронных потоков возрастали возможности исследований и интерес перемещался от изучения твёрдых тел и простых жидкостей в сторону мягкого (частично упорядоченного) вещества (soft matter). Особенно заметной эта тенденция стала в 21 в.

В настоящее время (2022) в мире (в том числе в России) работают укомплектованные современным оборудованием и открытые внешним пользователям около 30 исследовательских реакторов и около 10 нейтронных источников на ускорителях, на которых проводятся исследования на выведенных пучках.

Практическое значение нейтронной физики

Главное практическое применение результатов нейтронной физики находится в области ядерной техники и энергетики, поскольку в процессах деления атомных ядер и в термоядерном синтезе нейтроны играют основную роль. В процессе эксплуатации и создания ядерных установок и изделий имеется постоянная потребность в уточнении ядерных данных и характеристик процесса деления ядер.

Кроме этого, широко используются нейтронно-активационный анализ, текстурный анализ, радиационное материаловедение, нейтронная радиография, нейтронная радиобиология. В последние годы всё больший интерес вызывает использование нейтронных радиографии и активационного анализа при изучении предметов культурного наследия.