НЕЙТРОН

(англ. neutron, от лат. neuter — ни тот, ни другой) (n), электрически нейтральная элем. ч-ца со спином 1/2 и массой, незначительно превышающей массу протона; относится к классу адронов и входит в группу барионов. Из протонов и Н. построены все ядра атомные. Н. открыты в 1932 англ. физиком Дж. Чедвиком, установившим, что обнаруженное нем. физиками В. Боте и Г. Бекером проникающее излучение, к-рое возникает при бомбардировке ат. ядер a-частицами, состоит из незаряж. ч-ц с массой, близкой к протонной.

Н. устойчивы только в составе стабильных ат. ядер. Свободный Н.— нестабильная ч-ца, распадающаяся по схеме:n®p+e-+v=c (бета-распад Н.); ср. время жизни Н. t=15,3 мин. В в-ве свободные Н. существуют ещё меньше (в плотных в-вах — единицы — сотни мкс) вследствие их сильного поглощения ядрами. Поэтому свободные Н. возникают в природе или получаются в лаборатории только в яд. реакциях. Свободные Н., взаимодействуя с ат. ядрами, вызывают разл. ядерные реакции. Большая эффективность Н. в осуществлении яд. реакций, своеобразие вз-ствия с в-вом медленных Н. (резонансные эффекты, дифракц. рассеяние в кристаллах и т. п.) делают Н. исключительно важным орудием исследования в яд. физике и физике тв. тела (см. НЕЙТРОНОГРАФИЯ). В практич. приложениях Н. играют ключевую роль в яд. энергетике, в производстве трансурановых элементов и радиоакт. изотопов (искусств. радиоактивность), а также используются в хим. анализе (активац. анализ) и в геол. разведке (нейтронный каротаж).

Классификацию Н. по энергиям (быстрые, медленные, тепловые и т. д.) см. в ст. (см. НЕЙТРОННАЯ ФИЗИКА).

Основные характеристики нейтронов.

Масса. Наиболее точно определена разность масс Н. и протона: mn--mp=1,29344(7) МэВ, измеренная по энергетич. балансу разл. яд. реакций. Отсюда (и известной mp) mn= 939,5731(27) МэВ или mn»1,675Х10-24 г»1840me (me — масса эл-на).

Спин и статистика. Спин Н. J был измерен по расщеплению пучка очень медленных Н. в неоднородном магн. поле. Согласно квант. механике, пучок должен расщепляться на 2J+1 отд. пучков. Наблюдалось расщепление на два пучка, т. е. для Н. J=1/2 и Н. подчиняется Ферми — Дирака статистике (независимо это было установлено на основе эксперим. данных по строению ат. ядер).

Электрический заряд Н. Q=0. Прямые измерения Q по отклонению пучка Н. в сильном электрич. поле дают Q<10-20e, а косвенные (по электрич. нейтральности макроскопич. объёмов газа) — Q<2•10-22 е (где е — величина заряда эл-на).

Д р у г и е к в а н т о в ы е ч и с л а. По своим св-вам Н. очень близок протону: n и p имеют почти равные массы, один и тот же спин, способны взаимно превращаться друг в друга (напр., в процессах b-распада), одинаковым образом проявляют себя в сильном вз-ствии. Такое глубокое сходство позволяет рассматривать Н. и протон как одну ч-цу — нуклон, к-рая может находиться в двух разных зарядовых состояниях. Нуклон в состоянии с Q=+1 есть протон, с Q=0 есть Н. Соответственно, нуклону приписывается (по аналогии с обычным спином) нек-рая внутр. хар-ка — изотопический спин I, равный 1/2, «проекция» к-рого может принимать 2I+1=2 значения: +1/2 и -1/2. Т. о., n и p образуют изотопич. дублет (см. ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ). Как компоненты изотопич. дублета, Н. и протон имеют одинаковые квант. числа: барионный заряд B=+1, лептонный заряд L=0, странность S=0 и положит. внутр. чётность. Изотопич. дублет нуклонов входит в состав более широкой группы «похожих» ч-ц — октет барионов. Все квант. хар-ки Н. объясняются кварковой моделью адронов, согласно к-рой Н. состоит из двух d-кварков и одного u-кварка (см. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ).

Магнитный дипольный момент Н., найденный из экспериментов по методу ЯМР, равен: mп=-1,91315(7)mя, где mя — яд. магнетон. Ч-ца с J=1/2, описываемая Дирака уравнением, должна обладать магн. моментом, равным магнетону, если она заряжена, и нулевым, если не заряжена. Наличие магн. момента у Н., так же как аномальная величина магн. момента протона (mр»2,79mя), указывает на то, что нуклоны обладают сложной внутр. структурой, т. е. внутри них существуют электрич. токи, создающие дополнит. аномальный магн. момент протона 1,79 mя и прибл. равный ему по величине и противоположный по знаку магн. момент Н. (-1,9mя). С другой стороны, согласно кварковой модели адронов, mn/mр»2/3, что также согласуется с наблюдаемыми значениями mп и mр.

Электрический дипольный момент. С теор. точки зрения электрич. дипольный момент d любой элем. ч-цы должен быть равен нулю, если вз-ствия ч-ц инвариантны относительно обращения времени (T-инвариантны). Одна из проверок этого фундам. положения теории — поиски d у элем. ч-ц, и Н.— наиб. удобная ч-ца для таких поисков. Опыты показали, что dn<2•10-25 см•е. Это означает, что сильное, эл.-магн. и слабое вз-ствия с большой точностью T-инвариантны.

Взаимодействие нейтронов.

Н. участвуют во всех известных фундам. вз-ствиях элем. ч-ц.

С и л ь н о е в з а и м о д е й с т в и е. Изотопич. инвариантность сильного вз-ствия приводит к определ. связи между хар-ками разл. процессов с участием Н. и протона, напр. эфф. сечения рассеяния p+-мезона на протоне и p--мезона на Н. равны, т. к. системы p+p и p-n имеют одинаковый изотопич. спин I=3/2 и отличаются лишь проекциями изотопич. спина (I3=+3/2 в первом и I3=-3/2 во втором случае), одинаковы сечения рассеяния К+-мезона на протоне и К°-мезона на Н. и т. п. Справедливость такого рода соотношений экспериментально проверена в большом числе опытов. (Данные о вз-ствии разл. нестабильных ч-ц с Н. получают гл. обр. из экспериментов по рассеянию Н. на дейтроне.) Однако при низких энергиях вз-ствия n и p с заряж. ч-цами и ат. ядрами сильно различаются из-за наличия у протона электрич. заряда, обусловливающего существование дальнодействующих кулоновских сил между ним и др. заряж. ч-цами на таких расстояниях, на к-рых короткодействующие яд. силы практически отсутствуют. Отсутствие у Н. электрич. заряда позволяет ему проникать через электронные оболочки атомов и свободно приближаться к ядрам. Именно этим объясняется уникальная способность Н. сравнительно малых энергий вызывать разл. яд. реакции, в т. ч. деление тяжёлых ядер (см. ДЕЛЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА).

Рассеяние медленных Н. на протонах при энергиях до 15 МэВ сферически симметрично в системе центра инерции. Это указывает на то, что рассеяние определяется вз-ствием np в состоянии относит. движения с орбит. моментом l=0 (т. н. S-волна). S-рассеяние превалирует над рассеянием в др. состояниях, когда длина волны де Бройля Н. ?? радиуса действия яд. сил. Т. к. при энергии 10 МэВ для Н. ?»2•10-13 см, эта особенность рассеяния Н. на протонах при таких энергиях даёт сведения о порядке величины радиуса действия яд. сил. Из теории рассеяния микрочастиц следует, что рассеяние в S-состоянии слабо зависит от детальной формы потенциала вз-ствия и с хорошей точностью описывается двумя параметрами: эфф. радиусом r потенциала и длиной рассеяния а. Для описания np-рассеяния число параметров вдвое больше, т. к. система может находиться в двух состояниях с разными значениями полного спина: 1 (триплетное состояние) и 0 (синглетное состояние). Опыт показывает, что длины рассеяния Н. протоном и эфф. радиусы вз-ствия в синглетном и триплетном состояниях различны, т. е. яд. силы зависят от суммарного спина ч-ц. В частности, связ. состояние системы np — ядро дейтерия может существовать лишь при спине 1. Длина рассеяния в синглетном состоянии, определённая из опытов по pp-рассеянию (два протона в S-состоянии, согласно Паули принципу, могут находиться только в состоянии с нулевым суммарным спином), равна длине np-рассеяния в синглетном состоянии. Это согласуется с изотопич. инвариантностью сильного вз-ствия. Отсутствие связ. системы np в синглетном состоянии и изотопич. инвариантность яд. сил приводят к выводу, что не может существовать связ. системы двух Н-— т. н. бинейтрон. Прямых опытов по nn-рассеянию не проводилось из-за отсутствия нейтронных мишеней, однако косв. данные (св-ва ядер) и более непосредственные — изучение реакций 3Н+3Н®4Не+2n, p-+d®2n+g согласуются с гипотезой изотопич. инвариантности яд. сил и отсутствием бинейтрона. (Если бы бинейтрон существовал, то в этих реакциях наблюдались бы при вполне определ. энергиях пики в энергетич. распределениях соотв. a-частиц и g-квантов.) Хотя яд. вз-ствие в синглетном состоянии недостаточно велико, чтобы образовать бинейтрон, это не исключает возможности образования связ. системы из большого числа одних только Н.— нейтронных ядер (ядра из трёх-четырёх Н. не обнаружены).

Э л е к т р о м а г н и т н о е в з а и м о д е й с т в и е. Эл.-магн. св-ва Н. определяются наличием у него магн. момента, а также существующим внутри Н. распределением положит. и отрицат. зарядов и токов. Магн. момент Н. определяет поведение Н. во внеш. эл.-магн. полях: расщепление пучка Н. в неоднородном магн. поле, прецессию спина Н. Внутр. эл.-магн. структура Н. (см. ФОРМФАКТОР) проявляется при рассеянии эл-нов высокой энергии на Н. и в процессах рождения мезонов на Н. g-квантами. Вз-ствие магн. момента Н. с магн. моментами электронных оболочек атомов существенно проявляется для Н., длина волны де Бройля к-рых ??ат. размеров (энергия ?<10 эВ), и широко используется для исследования магн. структуры и элем. возбуждений (спиновых волн) магнитоупорядоч. кристаллов (см. НЕЙТРОНОГРАФИЯ). Интерференция магн. рассеяния с ядерным позволяет получать пучки поляризованных медленных Н. Вз-ствие магн. момента Н. с электрич. полем ядра вызывает специфич. швингеровское рассеяние Н. (указано впервые амер. физиком Ю. Швингером). Полное сечение этого рассеяния невелико, однако при малых углах (=3°) оно становится сравнимым с сечением яд. рассеяния; Н., рассеянные на такие углы, в сильной степени поляризованы. Вз-ствие Н. с эл-ном, не связанное с собств. или орбит. моментом эл-на, сводится в осн. к вз-ствию магн. момента Н. с электрнч. полем эл-на. Хотя это вз-ствие очень мало, его удалось наблюдать в иеск. экспериментах.

Слабое взаимодействие (I. проявляется в таких процессах, как распад Н.: n®p+e-+v=e, захват электронного антинейтрино протоном: v=e+р®n+е+ и мюонного нейтрино нейтроном: vm+n®p+m-, яд. захват мюонов: m-+р®n+vm, распады странных частиц, напр. L®p°+n, а также в яд. реакциях, вызываемых II. и идущих с нарушением пространств. чётности.

Г р а в и т а ц и о н н о е в з а и м о д е й с т в и е. Н.— единственная из имеющих массу покоя элем. ч-ц, для к-рой непосредственно наблюдалось гравитац. вз-ствие — искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка холодных Н. Измеренное гравитац. ускорение Н. в пределах точности эксперимента совпадает с гравитац. ускорением макроскопич. тел.

Нейтроны во Вселенной и околоземном пространстве.

Вопрос о кол-ве Н. во Вселенной на ранних стадиях её расширения играет важную роль в космологии. Согласно модели горячей Вселенной, значит. часть первоначально существовавших свободных Н. при расширении успевает распасться. Часть Н., к-рая оказывается захваченной протонами, должна в конечном счёте привести прибл. к 30%-ному содержанию ядер Не и 70%-ному — протонов. Эксперим. определение процентного содержания Не во Вселенной — одна из критич. проверок модели горячей Вселенной. Эволюция звёзд в ряде случаев приводит к образованию нейтронных звёзд (к числу к-рых относятся, в частности, пульсары). В первичной компоненте косм. лучей Н. из-за своей нестабильности отсутствуют. Однако вз-ствие ч-ц косм. лучей с ядрами атомов земной атмосферы приводит к генерации Н. в атмосфере. Реакция 14N (n, p) 14С, вызываемая этими Н.,— осн. источник радиоакт. изотопа углерода 14С в атмосфере, откуда он поступает в живые организмы; на определении содержания 14С в органич. остатках основан радиоуглеродный метод геохронологии. Распад медленных Н., диффундирующих из атмосферы в околоземное косм. пр-во, явл. одним из источников эл-нов, заполняющих внутр. область радиационных поясов Земли.