| 11652078 12288 3054 948 1одействующих куло-новских сил между протоном и др. заряженными частицами на таких расстояниях, на к-рых короткодействующие ядерные силы практически отсутствуют. Если энергия столкновения протона с протоном или атомным ядром ниже высоты кулоновского барьера (к-рая для тяжёлых ядер порядка 15 Мэв), рассеяние протона происходит в основном за счёт сил электростатич. отталкивания, не позволяющих частицам сблизиться до расстояний порядка радиуса действия ядерных сил. Отсутствие у H. электрич. заряда позволяет ему проникать через электронные оболочки атомов и свободно приближаться к атомным ядрам. Именно это обусловливает уникальную способность H. сравнительно малых энергий вызывать различные ядерные реакции, в т. ч. реакцию деления тяжёлых ядер. О методах и результатах исследований взаимодействия H. с ядрами см. в статьях Медленные нейтроны, Нейтронная спектроскопия, Ядра атомного деление.
Рассеяние медленных H. на протонах при энергиях вплоть до 15 Мэв сферически симметрично в системе центра инерции. Это указывает на то, что рассеяние определяется взаимодействием n - p в состоянии относительного движения с орбитальным моментом количества движения l=O (т. н. S-волна). Рассеяние в S-состоянии является специфически квантовомеханич. явлением, не имеющим аналога в классич. механике. Оно превалирует над рассеянием в др. состояниях, когда де-бройлевская длина волны H. порядка или больше радиуса действия ядерных сил (h - постоянная Планка, - скорость H.). Поскольку при энергии 10 Мэв длина волны H. X = 2· 10-13см, эта особенность рассеяния H. на протонах при таких энергиях непосредственно даёт сведения о порядке величины радиуса действия ядерных сил. Теоретич. рассмотрение показывает, что рассеяние в S-состоянии слабо зависит от детальной формы потенциала взаимодействия и с хорошей точностью описывается двумя параметрами- эффективным радиусом потенциала r и т. н. длиной рассеяния а. Фактически для описания рассеяния n - p число параметров вдвое больше, т. к. система пр может находиться в двух состояниях, обладающих различными значениями полного спина J = 1 (триплетное состояние) и J=O (синглетное состояние). Опыт показывает, что длины рассеяния H. протоном и эффективные радиусы взаимодействия в синглетном и триплет-ном состояниях различны, т. е. ядерные силы зависят от суммарного спина частиц. Из экспериментов следует также, что связанное состояние системы np (ядро дейтерия) может существовать лишь при суммарном спине 1, в то время как в синглетном состоянии величина ядерных сил недостаточна для образования связанного состояния H.- протон. Длина ядерного рассеяния в синглетном состоянии, определённая из опытов по рассеянию протонов на протонах (два протона в S-состоянии, согласно Паули принципу, могут находиться только в состоянии с нулевым суммарным спином), равна длине рассеяния n - p в синглетном состоянии. Это согласуется с изотопич. инвариантностью сильных взаимодействий. Отсутствие связанной системы пр в синглетном состоянии и изотопич. инвариантность ядерных сил приводят к выводу, что не может существовать связанной системы двух H.- т. н. би-нейтрон (аналогично протонам, два H. в S-состоянии должны иметь суммарный спин, равный нулю). Прямых опытов по рассеянию n - n не проводилось ввиду отсутствия нейтронных мишеней, однако косвенные данные (свойства ядер) и более непосредственные - изучение реакций 3H +3Н->4Не + 2n, - + d->2n + -согласуются с гипотезой изотопич. инвариантности ядерных сил и отсутствием бинейтрона. [Если бы существовал биней-трон, то в этих реакциях наблюдались бы при вполне определённых значениях энергии пики в энергетич. распределениях соответственно -частиц (ядер4Не) и -квантов.] Хотя ядерное взаимодействие в синглетном состоянии недостаточно велико, чтобы образовать бинейтрон, это не исключает возможности образования связанной системы, состоящей из большого числа одних только H.- нейтронных ядер. Этот вопрос требует дальнейшего теоретического и экспериментального изучения. Попытки обнаружить на опыте ядра из трёх-четырёх H., а также ядра 4H, 5H, 6H не дали пока положит, результата.
Несмотря на отсутствие последовательной теории сильных взаимодействий, на основе ряда существующих представлений можно качественно понять нек-рые закономерности сильных взаимодействий и структуры H. Согласно этим представлениям, сильное взаимодействие между H. и др. адронами (напр., протоном) осуществляется путём обмена виртуальными адронами (см. Виртуальные частицы) - л-мезонами, р-мезонами и др. Такая картина взаимодействия объясняет короткодействующий характер ядерных сил, радиус к-рых определяется комптоновской длиной волны самого лёгкого адрона - -мезона (равной 1,4· 10-13 см). Вместе с тем она указывает на возможность виртуального превращения H. в др. адроны, напр, процесс испускания и поглощения -мезона: n->p+--> n. Известная из опыта интенсивность сильных взаимодействий такова, что H. подавляющее время должен проводить в подобного рода "диссоциированных" состояниях, находясь как бы в "облаке" виртуальных я-мезонов и др. адронов. Это приводит к пространств, распределению электрич. заряда и магнитного момента внутри H., физич. размеры к-рого определяются размерами "облака" виртуальных частиц (см. также Формфактор). В частности, оказывается возможным качественно интерпретировать отмеченное выше приблизительное равенство по абс. величине аномальных магнитных моментов H. и протона, если считать, что магнитный момент H. создаётся орбитальным движением заряженных --мезонов, испускаемых виртуально в процессе n->p + -->n, а аномальный магнитный момент протона - орбитальным движением виртуального облака +-мезонов, создаваемого процессом p -> n ++ -> р.
Электромагнитные взаимодействия нейтрона. Электромагнитные свойства H. определяются наличием у него магнитного момента, а также существующим внутри H. распределением положит, и отри-цат. зарядов и токов. Все эти характеристики, как следует из предыдущего, связаны с участием H. в сильном взаимодействии, обусловливающем его структуру. Магнитный момент H. определяет поведение H. во внешних электромагнитных полях: расщепление пучка H. в неоднородном магнитном поле, прецессию спина H. Внутр. электромагнитная структура H. проявляется при рассеянии электронов высокой энергии на H. и в процессах рождения мезонов на H. -квантами (фоторождение мезонов). Электромагнитные взаимодействия H. с электронными оболочками атомов и атомными ядрами приводят к ряду явлений, имеющих важное значение для исследования строения вещества.
Взаимодействие магнитного момента H. с магнитными моментами электронных оболочек атомов проявляется существенно для H., длина волны к-рых порядка или больше атомных размеров (энергия Е<10эв), и широко используется для исследования магнитной структуры и элементарных возбуждений (спиновых волн) магнитоупорядоченных кристаллов (см. Нейтронография). Интерференция с ядерным рассеянием позволяет получать пучки поляризованных медленных H. (см. Поляризованные нейтроны).
Взаимодействие магнитного момента H. с электрич. полем ядра вызывает специфич. рассеяние H., указанное впервые амер. физиком Ю. Швингером и потому называемое "швингеровскимк Полное сечение этого рассеяния невелико, однако при малых углах (~3°) оно становится сравнимым с сечением ядерного рассеяния; H., рассеянные на такие углы, в сильной степени поляризованы взаимодействие H.- электрон (n-е), несвязанное с собств. или орбитальным моментом электрона, сводится в основном к взаимодействию магнитного момента H. с электрич. полем электрона. Другой, по-видимому меньший, вклад в (n-е)-взаимодействие может быть обусловлен распределением электрич. зарядов и токов внутри H. Хотя (n-е)-взаимодействие очень мало, его удалось наблюдать в неск. экспериментах.
Слабое взаимодействие нейтрона проявляется в таких процессах, как распад H.: n -> p + e- + ve, захват электронного антинейтрино протоном: ve + p -> n + е+ и мюонного нейтрино () нейтроном: v + n -> p + -, ядерный захват мюонов: -+ p -> n+ v, распады странных частиц, напр. -> ° + n, и т. д.
Гравитационное взаимодействие нейтрона. H.- единственная из имеющих массу покоя элементарных частиц, для к-рой непосредственно наблюдалось гравитац. взаимодействие - искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка холодных H. Измеренное гравитац. ускорение H. в пределах точности эксперимента совпадает с гравитац. ускорением макроскопич. тел.
Нейтроны во Вселенной и околоземном пространстве
Вопрос о количестве H. во Вселенной на ранних стадиях её расширения играет важную роль в космологии. Согласно модели горячей Вселенной (см. Космология), значительная часть первоначально существовавших свободных H. при расширении успевает распасться. Часть H., к-рая оказывается захваченной протонами, должна в конечном счёте привести приблизительно к 30%-ному содержанию ядер Не и 70%-ному - протонов. Экспериментальное определение процентного состава Не во Вселенной - одна из кри-тич. проверок модели горячей Вселенной.
Эволюция звёзд в ряде случаев приводит к образованию нейтронных звезд, к числу к-рых относятся, в частности, т. н. пульсары.
В первичной компоненте космических лучей H. в силу своей нестабильности отсутствуют. Однако взаимодействия частиц космич. лучей с ядрами атомов земной атмосферы приводят к генерации H. в атмосфере. Реакция 14N(n,p) 14C, вызываемая этими H.,- осн. источник радиоактивного изотопа углерода 14C в атмосфере, откуда он поступает в живые организмы; на определении содержания 14C в органич. остатках основан радиоуглеродный метод геохронологии. Распад медленных H., диффундирующих из атмосферы в околоземное космич. пространство, является одним из осн. источников электронов, заполняющих внутр. область радиационного пояса Земли.
Лит.: Власов H. А., Нейтроны, 2 изд., M., 1971; Г у р е в и ч И. И., T ар а с о в Л. В., Физика нейтронов низких энергий, M , 1965.
Ф. Л. Шапиро, В. И. Лущиков.
НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА, раздел нейтронной физики, изучающий ряд явлений, имеющих оптич. аналогии и возникающих при взаимодействии нейтронных пучков с веществом или полями (магнитным, гравитационными). Эти явления характерны для медленных нейтронов. К ним следует отнести: преломление и отражение нейтронных пучков на границе двух сред, полное отражение нейтронного пучка от границы раздела (наблюдаемое при определённых условиях), дифракцию нейтронов на отд. неоднородностях среды (рассеяние нейтронов на малые углы) и на периодич. структурах (см. Дифракция частиц). Для нек-рых веществ при отражении и преломлении возникает поляризация нейтронов, с к-рой (в первом приближении) можно сопоставить круговую поляризацию света. Неупругое рассеяние нейтронов в газах, жидкостях и твёрдых телах имеет аналогию с комбинационным рассеянием света.
В ряде явлений H. о. преобладающее значение имеют волновые свойства нейтронов. Длина волны нейтронов определяется массой нейтронов m = 1,67 10-24 г и их скоростью v: = h/mv, (1) где h - Планка постоянная (см. Волны де Бройля). Средняя скорость тепловых нейтронов v = 2,2·105см/сек, для них - длина волны = 1,8·10-8 см, т. е. того же порядка, что и для рентгеновских лучей. Длины волн самых медленных нейтронов (ультрахолодных, см. ниже) такие же, как у ультрафиолетового и видимого света. Аналогию между пучками нейтронов и электромагнитными волнами подчёркивает и тот факт, что нейтроны так же, как и фотоны, не имеют электрич. заряда. Вместе с тем природа нейтронных и электромагнитных волн различна. Фотоны взаимодействуют с электронной оболочкой атома, тогда как нейтроны - в основном с атомными ядрами. Нейтрон обладает массой покоя, что позволяет применять для нейтронных исследований методы, не свойственные оптике. Наличие у нейтрона магнитного момента обусловливает магнитное взаимодействие нейтронов с магнитными материалами и магнитными полями, отсутствующее для фотонов.
Развитие H. о. началось в 40-х гг. (после появления ядерных реакторов). Э. Ферми ввёл для описания взаимодействия нейтронов с конденсированными средами понятие показателя преломления п. При прохождении нейтронов через среду происходит их рассеяние атомными ядрами. На языке волн это означает, что падающая нейтронная волна порожда |
