НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА

Раздел нейтронной физики, в рамках к-рого изучается вз-ствие медленных нейтронов со средой и с эл.-магн. и гравитац. полями. В условиях, когда длина волны де Бройля нейтрона l=h/mv (m — масса нейтрона, v — его скорость) сравнима с межат. расстояниями или больше их, существует нек-рая аналогия между распространением в среде фотонов и нейтронов. В Н. о., так же как и в световой оптике, есть неск. типов явлений, описываемых либо в лучевом приближении (преломление и отражение нейтронных пучков на границе двух сред), либо в волновом (дифракция в периодич. структурах и на отд. неоднородностях). Комбинационному рассеянию света соответствует неупругое рассеяние нейтронов; круговой поляризации света можно сопоставить (в первом приближении) поляризацию нейтронов. Аналогию между нейтронами и фотонами усиливает отсутствие у них электрич. заряда. Однако в отличие от квантов эл.-магн. поля нейтроны, двигаясь в среде, в осн. взаимодействуют с ат. ядрами, обладают магн. моментом и массой покоя, вследствие чего скорость распространения тепловых нейтронов в 105 —106 раз меньше, чем для фотонов той же длины волны.

Показатель преломления n для нейтронов на границе вакуум — среда равен: n=l/l1=v1/v, где l1, v1 — длина волны и скорость нейтрона в среде, l, v — в вакууме. Если ввести усреднённый по объёму в-ва потенциал U вз-ствия нейтрона с ядрами, то кннетич. энергия ?1 нейтрона в среде равна: ?1=?-U, где ? — кинетич. энергия нейтрона в вакууме. Потенциал U связан со св-вами среды: U=h2Nb/pm, где N — число ядер в ед. объёма, b — когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами. Отсюда

n2 =?1/?=1-h2Nb/pm2v2=1-n2/v2, (1)

где величина v0=h/m?(Nb/p) наз. граничной скоростью. Для большинства ядер b>0, поэтому U>0, ?1 v0 полное отражение возможно лишь в том случае, если нормальная к границе среды компонента скорости нейтрона vн<0. Угол скольжения j при этом должен удовлетворять условию: sin j

n2=(1-v20/v2) + ia2/v2=(n'+in")2, (2)

где a2=hNsv/2pm, s — эфф. сечение всех процессов, приводящих к ослаблению нейтронного пучка, n' и n" — действительная и мнимая части показателя преломления. Для ультрахолодных нейтронов (vсм. МЕТАЛЛА ОПТИКА). Для в-в с b<0 n2>1 и Н. о. аналогична световой оптике диэлектриков. В частности, углы падения и преломления нейтронного пучка связаны Снелля законом преломления.

Учёт внешних магн. и гравитац. полей приводит к выражению для показателя преломления:

где знаки ± соответствуют двум возможным ориентациям магн. момента m нейтрона относительно вектора магн. индукции В (т. е. двум возможным поляризациям нейтрона), g — ускорение свободного падения, H — высота. Аналогичное выражение описывает преломление света в средах с плавно меняющимся показателем преломления (рефракцию). Из двузначности третьего слагаемого, чувствительного к поляризации нейтронов, следует, что, выбрав подходящий материал для отражающего зеркала, магн. поле и угол скольжения, можно создать устройство, в к-ром полное отражение испытывают только нейтроны одной поляризации (-). Такие устройства используются в кач-ве поляризаторов и анализаторов нейтронов (см. ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ НЕЙТРОНЫ).

Если нейтроны взаимодействуют только с магн. полем, то:

n2=l ± 2mB/mv2. (4)

При этом для нейтронов с v2<2mB/m создаются условия для полного отражения от границы объёма, содержащего магн. поле. В неоднородных полях grad B?0 возможна рефракция нейтронных пучков. Двузначность ф-лы (4) означает существование в магн. поле разных показателей преломления для нейтронов разл. поляризация, что аналогично двойному лучепреломлению света. Это же явление в Н. о. можно наблюдать без магн. поля в средах, содержащих поляризов. ядра (см. ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЯДРА) — ядерный п с е в д о м а г н е т и з м. Двойное лучепреломление имеет место, когда яд. амплитуда рассеяния зависит от направления спина нейтрона.

Дифракция нейтронов во многом подобна дифракции рентгеновских лучей. Осн. отличия связаны с тем, что нейтроны рассеиваются ядрами и магн. внутрикристаллическими, полями. Это облегчает исследование ат, структуры кристаллов в ситуациях, практически недоступных для рентг. лучей (см. НЕЙТРОНОГРАФИЯ).