НЕЙТРО́Н
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
НЕЙТРО́Н (от лат. neuter – ни тот ни другой; символ n), элементарная частица с нулевым электрич. зарядом и массой, незначительно большей массы протона. Н. является фермионом и входит в группу барионов. Наряду с протоном Н. относится к нуклонам и входит в состав атомных ядер. Открыт в 1932 Дж. Чедвиком. Т. к. Н. электрически нейтрален, он легко проникает в атомные ядра при любой энергии и с большой вероятностью вызывает ядерные реакции. Способность Н. вызывать деление тяжёлых ядер в цепной ядерной реакции послужила основой для создания ядерного оружия и ядерной энергетики. Масса Н. $$m_n=939,565379(21)\: МэВ=1,00866491600(43)\: а. е. м.=1,674927351(74)·10^{–24}\: г.$$
Н. тяжелее протона на $1,293332\: МэВ$. Спин Н. равен 1/2. В свободном состоянии Н. нестабилен – распадается на протон, электрон и антинейтрино (см. Бета-распад нейтрона); время жизни составляет $885,7(8)$ с. В связанном состоянии в составе стабильных ядер Н. стабилен. Несмотря на электронейтральность Н., его магнитный момент существенно отличен от нуля: $μ_n=–1,91304272(45)μ_{яд}$, где $μ_{яд}$ – ядерный магнетон, знак магнитного момента определяется относительно направления его спина. Отношение к магнитному моменту протона равно примерно –2/3, что согласуется с кварковой структурой нуклонов.
Статич. электрич. дипольный момент точечной частицы должен быть тождественно равен нулю. Стандартная модель элементарных частиц предполагает малое разделение положительного и отрицательного заряда внутри Н. и предсказывает существование электрич. дипольного момента, но его расчётная величина мала и остаётся за пределами эксперим. обнаружения.
Согласно совр. кварковой модели, Н. состоит из трёх кварков: одного $u$-кварка с электрич. зарядом +2/3$e$ и двух $d$-кварков с зарядами –1/3$e$, связанных между собой глюонами. Квантовые числа Н. целиком определяются набором составляющих его кварков, а пространственная структура – динамикой взаимодействия кварков и глюонов. Особенностью этого взаимодействия является его рост с увеличением расстояния, так что размер Н. ограничен областью порядка 10–13 см – областью конфайнмента кварков. Античастица Н. – антинейтрон $(ñ)$ – открыт в 1956; в пределах точности измерений массы обеих частиц равны.
Свободные Н. в природе образуются в ядерных реакциях, вызываемых $α$-частицами радиоактивного распада, космич. лучами, и в результате спонтанного или вынужденного деления тяжёлых ядер. Искусств. источники Н. – ядерные реакторы, ядерные взрывы, ускорители протонов и электронов с мишенями из тяжёлых элементов (см. Нейтронные источники).
Поскольку Н. не имеет электрич. заряда, детектирование его посредством ионизации атомов вещества невозможно. Для регистрации Н. обычно используются два косвенных метода: захват Н. атомными ядрами с последующим излучением ядром $α$-частицы или $γ$-кванта и рассеяние Н. на ядрах вещества с последующей регистрацией ядра отдачи (см. Нейтронные детекторы).
Методы использования Н. в науч. и прикладных исследованиях зависят от их кинетич. энергии. Н. с кинетич. энергией св. 100 кэВ называют быстрыми, с энергией до 100 кэВ – медленными. Быстрые Н. образуются в ядерных реакциях при бомбардировке разл. ядер заряженными частицами или $γ$-квантами высокой энергии, а также при делении ядер. Медленные нейтроны подразделяют на промежуточные (с энергиями 104–105 эВ), резонансные (0,5–104 эВ), тепловые нейтроны (5·10–3–0,5 эВ), холодные нейтроны (10–7–5·10–3 эВ) и ультрахолодные нейтроны (<10–7 эВ). Тепловые Н. с большой вероятностью захватываются веществом с образованием, как правило, нестабильных, более тяжёлых изотопов атомных ядер. Холодные Н. образуются из тепловых при прохождении через холодные вещества, напр. через жидкий дейтерий. Ультрахолодные нейтроны формируются при упругом рассеянии на твёрдом дейтерии или на жидком сверхтекучем гелии.
Для медленных Н. определяющим фактором становятся их волновые свойства. Н. с длиной волны, близкой к межатомным расстояниям (ок. 0,1 нм), являются важнейшим средством исследования структуры твёрдых тел (см. Нейтронография структурная). Медленные нейтроны, подобно фотонам, рассеиваясь на атомах твёрдого вещества, интерферируют (см. Нейтронная интерферометрия). Структура наблюдаемой дифракции нейтронов связана со строением исследуемой среды. Наличие у Н. магнитного момента делает пучки поляризованных нейтронов чрезвычайно чувствительным инструментом для исследования распределения намагниченности в веществе.
Особенностью взаимодействия Н. с веществом является показатель преломления, меньший единицы. Благодаря этому Н., падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутр. отражение. Ультрахолодные Н. при скорости менее 5–8 м/с испытывают полное внутр. отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и др. при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрaхолодных Н. используется в экспериментах и позволяет реализовать нейтронно-оптич. устройства, аналоги оптич. линз и призм (см. Нейтронная оптика).
Способность Н. при облучении вещества вызывать последующее излучение $γ$-квантов используется для активационного анализа. Спектр испущенных $γ$-квантов сопоставляется с таблицей линий излучения известных химич. элементов и позволяет с высокой точностью определить химич. состав вещества.
Н. – одна из немногих элементарных частиц, падение которой в гравитац. поле Земли можно наблюдать экспериментально. Прямое измерение ускорения свободного падения для Н. выполнено с погрешностью 0,3% и не отличается от ускорения свободного падения для макроскопич. тел. Гравитац. ускорение и замедление Н. широко используются в опытах с ультрахолодными нейтронами.
Согласно совр. представлениям, в модели горячей Вселенной (см. Горячей Вселенной теория) образование барионов, в т. ч. протонов и H., происходит в первые минуты жизни Вселенной. В дальнейшем некоторая часть Н., не успевших распасться, захватывается протонами с образованием ядер $\ce{^4He}$. По астрономич. оценкам, 15% видимого вещества Вселенной представлено Н., входящими в состав ядер $\ce{^4He}$.