НЕЙТРО́Н

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 $\ce{^4He}$.