| 11652078 12288 3054 948 1ями взаимного превращения нуклонов p <=> n (. н. урка-процесс) и может идти как на связанных нуклонах ядер при темп-pax Т~ 109 К, так и на свободных нуклонах при T>=1010К. Второй способ, чисто лепгонный, связан с реакциями типа --> е-+ e+, а также с реакциями + e -> e+e+e (фоторождение H.), е+ + е- -> e+e (нейтринная аннигиляция электрон-позитронных пар) и др., к-рые происходят, если существует гипотетич. рассеяние e + е -> e+ е (предсказываемое теорией Ферми). Пока не удалось доказать существование e + е -> e + е-рассеяния лабораторными методами (на H. от реакторов и ускорителей); считается, что астрофизич. данные свидетельствуют в пользу существования такого процесса.
Реликтовые H. Согласно модели горячей Вселенной, H., испущенные в момент её возникновения, испытывают сильное красное смещение при космоло-гич. расширении Вселенной. Такие реликтовые H. заполняют всё мировое про-
Рис. 4. - схема нейтринного телескопа, установленного в шахте Южной Индии на глубине около 2300 м: 1 - пластические сцинтилляцнонные элементы, площадью 1 м2, каждый из которых просматривается двумя фотоумножителями 2; регистрируются четырёхкратные совпадения между парой фотоумножителей на одной стороне и любой парой - на другой; между сцинтилляторами установлено неск. слоев неоновых трубок 3 для фотографирования следов заряженных частиц, образованных нейтрино; 4 - свинцовые поглотители толщиной 2,5 см', 6 - случай неупругого взаимодействия нейтрино, пришедшего из нижней полусферы Земли: 5, 6 - следы, оставленные, повидимому, мюоном и пи-мезоном, которые образовались внутри скалы при столкновении с нуклоном.
странство. В наиболее реалистич. варианте модели горячей Вселенной число мюон-ных и электронных H. и антинейтрино одинаково и составляет ~ 200 частиц/см2, а ср. энергия H.-(2-3)-10-4эв, что соответствует температуре нейтринного газа 2-3 К. Для понимания механизма развития Вселенной очень важно экспериментально установить наличие реликтовых H. и измерить температуру нейтринного газа.
В рамках модели горячей Вселенной удаётся получить наилучшую оценку для массы мюонного H. Согласно космо-логич. данным, плотность материи в расширяющейся Вселенной не может превышать 10-28г/см3; отсюда следует, что максимально возможная масса мюонного H. составляет ~ 300 эв (т. е. значительно ниже верхнего предела, установленного лабораторными методами).
Нейтронизация вещества, т. е. превращение протонов в нейтроны по схеме p + е- ->n + e, может служить мощным источником H., когда звезда по к.-л. причинам теряет гравитац. устойчивость и коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду. При этом огромное число H., равное по порядку величины числу протонов в звезде (~1057), испускается за сотые доли сек. Если коллапсирует горячая звезда, нейтронизация происходит совместно с процессами, характерными для горячей плазмы. Такая ситуация возможна при взрывах сверхновых и при коллапсе гравитационном.
О возможности регистрации H. от Солнца и др. звёзд см. Нейтринная астрономия.
Развитие науки о H. за последние четверть века убедительно доказало, что H. из гшютетич. частицы превратилось в мощный инструмент исследования микро- и макромира.
Лит.: А л л е н Д ж, Нейтрино, пер. с англ., M., 1960; Алиханов А. И., Слабые взаимодействия. Новейшие исследования -распада, M., 1960; Теоретическая физика 20 века, M., 1962; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, M., 1963; Понтекорво Б. M., Нейтрино и его роль в астрофизике, "Успехи физических наук", 1963, т. 79, в. 1, с. 3; Марков M. А., Нейтрино, M., 1964; Железных И. M., Подземные нейтринные эксперименты, "Успехи физических наук". 1966, т. 89, в. 3, с. 513; Ли Ц. и By Ц., Слабые взаимодействия, пер. с англ., M., 1968; Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, M., 1970; Березинский В. С., Нейтрино, M., 1973. Г. T. Зацепин, Ю. С. Копысов.
НЕЙТРОН (англ, neutron, от лат. neuter - ни тот, ни другой; символ n), нейтральная (не обладающая электрич. зарядом) элементарная частица со спином 1/2 (в единицах постоянной Планка h) и массой, незначительно превышающей массу протона. Из протонов и H. построены все ядра атомные. Магнитный момент H. равен примерно двум ядерным магнетонам и отрицателен, т. е. направлен противоположно механическому, спиновому, моменту количества движения. H. относятся к классу сильно взаимодействующих частиц (адронов) и входят в группу барионов, т. е. обладают особой внутр. характеристикой - барионным зарядом, равным, как и у протона (р), + 1. H. были открыты в 1932 англ, физиком Дж. Чедвиком, к-рый установил, что обнаруженное нем. физиками В. Боте и Г. Бекером проникающее излучение, возникающее при бомбардировке атомных ядер (в частности, бериллия) -частицами, состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона.
H. устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободный H.-нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон (е-)и электронное антинейтрино (e): n-> p +e- + e; ср. время жизни H. ~ 16 мин. В веществе свободные H. существуют ещё меньше (в плотных веществах единицы - сотни мксек) вследствие их сильного поглощения ядрами. Поэтому свободные H. возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций (см. Нейтронные источники). В свою очередь, свободный H. способен взаимодействовать с атомными ядрами, вплоть до самых тяжёлых; исчезая, H. вызывает ту или иную ядерную реакцию, из к-рых особое значение имеет деление тяжёлых ядер, а также радиационный захват H., приводящий в ряде случаев к образованию радиоактивных изотопов. Большая эффективность H. в осуществлении ядерных реакций, своеобразие взаимодействия с веществом совсем медленных H. (резонансные эффекты, ди-фракц. рассеяние в кристаллах и т. п.) делают H. исключительно важным орудием исследования в ядерной физике и физике твёрдого тела. В практич. приложениях H. играют ключевую роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов (искусств, радиоактивность), а также широко используются в хим. анализе (активационный анализ) и в геологич. разведке (нейтронный каротаж).
В зависимости от энергии H. принята их условная классификация: ультрахолодные H. (до 10-7 эв), очень холодные (10-7- 10-4эв), холодные (10-4-5· 10-3 эв), тепловые (5·10-3-0,5 эв), резонансные (0,5-104 эв), промежуточные (104 - 105 эв), быстрые (105-108 эв), высокоэнергичные (108- 1010 эв) и релятивистские (>= 1010 эв); все H. с энергией до 105 эв объединяют общим названием медленные нейтроны.
О методах регистрации H. см. Нейтронные детекторы.
Основные характеристики нейтронов
Масса. Наиболее точно определяемой величиной является разность масс H. и протона: тn - mр = (1,29344 ± 0,00007) Мэв, измеренная по энергетич. балансу различных ядерных реакций. Из сопоставления этой величины с массой протона получается (в энер-гетич. единицах) mn = (939,5527 ± 0,0052) Мэв; это соответствует тп ~ 1,6· 10-24 г, или тn~ 1840 mе, где тe - масса электрона.
Спин и статистика. Значение 1/2 для спина H. подтверждается большой совокупностью фактов. Непосредственно спин был измерен в опытах по расщеплению пучка очень медленных H. в неоднородном магнитном поле. В общем случае пучок должен расщепиться на 2J + 1 отдельных пучков, где J - спин H. В опыте наблюдалось расщепление на 2 пучка, откуда следует, что J=1/2. Как частица с полуцелым спином, H. подчиняется Ферми - Дирака статистике (является фермионом); независимо это было установлено на основе экспериментальных данных по строению атомных ядер (см. Ядерные оболочки).
Электрический заряд нейтрона Q=0. Прямые измерения Q по отклонению пучка H. в сильном электрич. поле показывают, что по крайней мере Q<10-17e, где е - элементарный электрич. заряд, а косв. измерения (по электрич. нейтральности макроскопич. объёмов газа) дают оценку Q<2x10-22e.
Другие квантовые числа нейтрона. По своим свойствам H. очень близок протону: n и р имеют почти равные массы, один и тот же спин, способны взаимно превращаться друг в друга, напр, в процессах бета-распада', они одинаковым образом проявляют себя в процессах, вызванных сильным взаимодействием, в частности ядерные силы, действующие между парами p- p, n - p и n - n, одинаковы (если частицы находятся соответственно в одинаковых состояниях). Такое глубокое сходство позволяет рассматривать H. и протон как одну частицу - нуклон, к-рая может находиться в двух разных состояниях, отличающихся электрич. зарядом Q. Нуклон в состоянии с Q = + 1 есть протон, с Q = 0 - H. Соответственно, нуклону приписывается (по аналогии с обычным спином) нек-рая внутренняя характеристика - изотопический спин I равный 1/2, "проекция" к-рого может принимать (согласно общим правилам квантовой механики) 2I + 1 = 2 значения: + 1/2 и -1/2. T. о., n и p образуют изотопический дублет (см. Изотопическая инвариантность): нуклон в состоянии с проекцией изотопич. спина на ось квантования + 1/2 является протоном, а с проекцией -1/2 - H. Как компоненты изотопич. дублета, H. и протон, согласно совр. систематике элементарных частиц, имеют одинаковые квантовые числа: барионный заряд В = + 1, лептонный заряд L=O, странность S = 0 и положительную внутреннюю чётность. Изотопич. дублет нуклонов входит в состав более широкой группы "похожих" частиц - т. н. октет барионов с J = 1/2, B = 1 и положит, внутр. чётностью; помимо n и p в эту группу входят -, +-, °-, --гипероны, отличающиеся от n и p странностью (см. Элементарные частицы).
Магнитный дипольный момент нейтрона, определённый из экспериментов по ядерному магнитному резонансу, равен: n =-(1,91315±0,00007) я, где я=5,05· 10~24эрг/гс-ядерный магнетон. Частица со спином 1/2, описываемая Дирака уравнением, должна обладать магнитным моментом, равным одному магнетону, если она заряжена, и нулевым, если не заряжена. Наличие магнитного момента у H., так же как аномальная величина магнитного момента протона (p = 2,79я), указывает на то, что эти частицы имеют сложную внутр. структуру, т. е. внутри них существуют электрич. токи, создающие дополнит, "аномальный" магнитный момент протона 1,79я и приблизительно равный ему по величине и противоположный по знаку магнитный момент H. (-1,9Я) (см. ниже).
Электрический дипольный момент. С теоретич. точки зрения, электрич. дипольный момент d любой элементарной частицы должен быть равен нулю, если взаимодействия элементарных частиц инвариантны относительно обращения времени (Т-инвариантность). Поиски электрич. дипольного момента у элементарных частиц являются одной из проверок этого фундаментального положения теории, и из всех элементарных частиц H.- наиболее удобная частица для таких поисков. Опыты по методу магнитного резонанса на пучке холодных H. показали, что dn< 10~23см-е. Это означает, что сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия с большой точностью T-инвариантны.
Взаимодействия нейтронов
H. участвуют во всех известных взаимодействиях элементарных частиц - сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном.
Сильное взаимодействие нейтронов. H. и протон участвуют в сильных взаимодействиях как компоненты единого изо-топич. дублета нуклонов. Изотопич. инвариантность сильных взаимодействий приводит к определённой связи между характеристиками различных процессов с участием H. и протона, напр, эффективные сечения рассеяния +-мезона на протоне и --мезона на H. равны, т. к. системы +р и -n имеют одинаковый изотопич. спин I=3/2 и отличаются лишь значениями проекции изотопич. спина I3 (I3 = + 3/2 в первом и I3 = -3/2 во втором случаях), одинаковы сечения рассеяния K+ на протоне и К° на H. и т. п. Справедливость такого рода соотношений экспериментально проверена в большом числе опытов на ускорителях высокой энергии. [Ввиду отсутствия мишеней, состоящих из H., данные о взаимодействии с H. различных нестабильных частиц извлекаются гл. обр. из экспериментов по рассеянию этих частиц на дейтроне (d) - простейшем ядре, содержащем H.]
При низких энергиях реальные взаимодействия H. и протонов с заряженными частицами и атомными ядрами сильно различаются из-за наличия у протона электрич. заряда, обусловливающего существование дальн |
