Какими свойствами обладает нейтроны

Нейтрон (лат. neuter – ни тот, ни другой) – элементарная частица с нулевым электрическим зарядом и массой немного больше массы протона. Масса нейтрона mn=939,5731(27) Мэв/с2 =1,008664967 а.е.м. =1,675 10 -27 кг. Электрический заряд =0. Спин =1/2, нейтрон подчиняется статистике Ферми. Внутренняя четность положительна. Изотопический спин Т=1/2. Третья проекция изоспина Т3 = -1/2. Магнитный момент = -1,9130 . Энергия связи в ядре энергия покоя Е0 = mnc2= 939,5 Мэв. Свободный нейтрон распадается с периодом полураспада Т1/2= 11 мин по каналу за счет слабого взаимодействия. В связанном состоянии (в ядре) нейтрон живет вечно. «Исключительное положение нейтрона в ядерной физике, подобно положению электрона в электронике». Благодаря отсутствию электрического заряда нейтрон любой энергии легко проникает в ядро, и вызывает разнообразные ядерные превращения.

Примерная классификация нейтронов по энергиям приведена в табл.1.3

табл.1.3

Реакции под действием нейтронов многочисленны: (n, γ), (n,p), (n,n’), (n,α), (n,2n), (n,f).

Реакции радиационного захвата(n, γ) нейтрона с последующим испусканием γ –кванта идут на медленных нейтронах с энергией от 0÷500 кэв.

Пример: Мэв.

Упругое рассеяние нейтронов (n, n) широко используется для регистрации быстрых нейтронов методом ядер отдачи в трековых методах и для замедления нейтронов.

При неупругом рассеянии нейтронов (n,n’) происходит захват нейтрона с образованием составного ядра, которое распадается, выбрасывая нейтрон с энергией меньшей, чем имел первоначальный нейтрон. Неупругое рассеяние нейтронов возможно, если энергия нейтрона в раз превышает энергию первого возбужденного состояния ядра мишени. Неупругое рассеяние – пороговый процесс.

Нейтронная реакция с образованием протонов (n,p) происходит под действием быстрых нейтронов с энергиями 0,5÷10 мэв. Наиболее важными являются реакции получения изотопа трития из гелия-3:

Мэв с сечением σтепл = 5400 барн,

и регистрация нейтронов методом фотоэмульсий:

+0,63 Мэв с сечением σтепл = 1,75 барн.

Нейтронные реакции (n,α) с образованием α-частиц эффективно протекают на нейтронах с энергией 0,5÷10 Мэв. Иногда реакции идут на тепловых нейтронах: реакция выработки трития в термоядерных устройствах:

Мэв с сечением σтепл = 945 барн,

реакция косвенной регистрации тепловых нейтронов по α-частицам:

Мэв с сечением σтепл = 3480 барн.

Нейтронные реакции (n,2n) с образованием двух нейтронов возможны, если энергия нейтрона на несколько Мэв превышает порог реакции (n,2n). Например, на быстрых нейтронах с энергией > 10 Мэв возможна реакция:

Мэв.

Нейтронные реакции деления (n,f) ядер тория, урана, плутония будут рассмотрены отдельно.

Что такое нейтрон? Такой вопрос чаще всего возникает у людей, которые не занимаются ядерной физикой, ведь под нейтроном в ней понимают элементарную частицу, которая не имеет электрического заряда и обладает массой, превышающей электронную в 1838,4 раза. Вместе с протоном, масса которого немного меньше, чем масса нейтрона, он является “кирпичиком” атомного ядра. В физике элементарных частиц нейтрон и протон полагаются двумя разными формами одной частицы – нуклона.

Строение нейтрона

Нейтрон присутствует в составе ядер атомов для каждого химического элемента, исключение составляет лишь атом водорода, ядро которого представляет собой один протон. Что такое нейтрон, какое строение он имеет? Хотя он и называется элементарным “кирпичиком” ядра, но все же имеет свою внутреннюю структуру. В частности, он относится к семейству барионов и состоит из трех кварков, два из которых являются кварками нижнего типа, а один – верхнего. Все кварки имеют дробный электрический заряд: верхний заряжен положительно (+2/3 от заряда электрона), а нижний – отрицательно (-1/3 электронного заряда). Именно поэтому нейтрон не имеет электрического заряда, ведь он у составляющих его кварков просто компенсируется. Тем не менее, магнитный момент нейтрона не равен нулю.

В составе нейтрона, определение которого было дано выше, каждый кварк соединен с остальными с помощью глюонового поля. Глюон является частицей, ответственной за образование ядерных сил.

Помимо массы в килограммах и атомных единицах массы, в ядерной физике массу частицы описывают также в ГэВ (гигаэлектронвольтах). Это стало возможным после открытия Эйнштейном своего знаменитого уравнения E=mc2, которое связывает энергию с массой. Что такое нейтрон в ГэВ? Это величина 0,0009396, которая немного больше аналогичной для протона (0,0009383).

Стабильность нейтрона и ядер атомов

Присутствие нейтронов в атомных ядрах очень важно для их стабильности и возможности существования самой атомной структуры и вещества в целом. Дело в том, что протоны, которые также составляют атомное ядро, имеют положительный заряд. И сближение их на близкие расстояния требует затрат огромных энергий ввиду кулоновского электрического отталкивания. Ядерные же силы, действующие между нейтронами и протонами на 2-3 порядка сильнее кулоновских. Поэтому они способны удерживать положительно заряженные частицы на близких расстояниях. Ядерные взаимодействия являются короткодействующими и проявляют себя только в пределах размеров ядра.

Формулу нейтронов используют для нахождения их количества в ядре. Она выглядит так: количество нейтронов = атомная масса элемента – атомный номер в таблице Менделеева.

Свободный нейтрон – это частица нестабильная. Среднее время его жизни составляет 15 минут, после чего он распадается три частицы:

• электрон;
• протон;
• антинейтрино.

Предпосылки открытия нейтрона

Теоретическое существование нейтрона в физике было предложено еще в 1920 году Эрнестом Резерфордом, который пытался таким образом объяснить, почему атомные ядра не разваливаются из-за электромагнитного отталкивания протонов.

Еще раньше, в 1909 году в Германии, Боте и Беккер установили, что если альфа-частицами больших энергий от полония облучать легкие элементы, например, бериллий, бор или литий, то образуется излучение, которое проходит через любую толщину различных материалов. Они предположили, что это излучение гамма, однако ни одно подобное излучение, известное на тот момент, не обладало такой большой проникающей способностью. Эксперименты Боте и Беккера не были интерпретированы должным образом.

Открытие нейтрона

Существование нейтрона было обнаружено английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Он изучал радиоактивное излучение бериллия, провел серию экспериментов, получив результаты, которые не совпадали с теми, что предсказывали физические формулы: энергия радиоактивного излучения намного превосходила теоретические значения, также нарушался закон сохранения импульса. Поэтому необходимо было принять одну из гипотез:

1. Либо момент импульса не сохраняется при ядерных процессах.
2. Либо радиоактивное излучение состоит из частиц.

Первое предположение ученый отбросил, поскольку оно противоречит фундаментальным физическим законам, поэтому принял вторую гипотезу. Чедвик показал, что радиационное излучение в его экспериментах образовано частицами с нулевым зарядом, которые обладают сильной проникающей способностью. Кроме того, он смог измерить массу этих частиц, установив, что она немного больше таковой для протона.

Медленные и быстрые нейтроны

В зависимости от энергии, которой обладает нейтрон, он называется медленным (порядка 0,01 МэВ) или быстрым (порядка 1 МэВ). Такая классификация важна, поскольку от скорости нейтрона зависят некоторые его свойства. В частности, быстрые нейтроны хорошо захватываются ядрами, приводя к образованию их изотопов, и вызывая их деление. Медленные же нейтроны плохо захватываются ядрами практически всех материалов, поэтому они могут беспрепятственно проходить сквозь толстые слои вещества.

Роль нейтрона в делении ядра урана

Если задаваться вопросом, что такое нейтрон в ядерной энергетике, то можно с уверенностью сказать, что это средство индуцирования процесса деления ядра урана, сопровождаемое выделением большой энергии. Во время этой реакции деления также порождаются нейтроны различных скоростей. В свою очередь образованные нейтроны индуцируют распад других ядер урана, и реакция протекает цепным образом.

Если реакция деления урана будет неконтролируемой, то это приведет к взрыву реакционного объема. Данный эффект используется в ядерных бомбах. Контролируемая реакция деления урана является источником энергии в ядерных электростанциях.

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 $ce{^4He}$.