Большая Советская Энциклопедия (НЕ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" - Страница 51

  Н. устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободный Н. — нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон (е^- ) и электронное антинейтрино

среднее время жизни Н. t » 16 мин. В веществе свободные Н. существуют ещё меньше (в плотных веществах единицы — сотни мксек ) вследствие их сильного поглощения ядрами. Поэтому свободные Н. возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций (см. Нейтронные источники ). В свою очередь, свободный Н. способен взаимодействовать с атомными ядрами, вплоть до самых тяжёлых; исчезая, Н. вызывает ту или иную ядерную реакцию, из которых особое значение имеет деление тяжёлых ядер, а также радиационный захват Н., приводящий в ряде случаев к образованию радиоактивных изотопов. Большая эффективность Н. в осуществлении ядерных реакций, своеобразие взаимодействия с веществом совсем медленных Н. (резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т.п.) делают Н. исключительно важным орудием исследования в ядерной физике и физике твёрдого тела. В практических приложениях Н. играют ключевую роль в ядерной энергетике производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов (искусственная радиоактивность), а также широко используются в химическом анализе (активационный анализ ) и в геологической разведке (нейтронный каротаж ).

  В зависимости от энергии Н. принята их условная классификация: ультрахолодные Н. (до 10^-7эв ), очень холодные (10^-7 —10^-4 эв), холодные (10^-4 —5×10^-3эв ), тепловые (5×10^-3 —0,5 эв), резонансные (0,5—10⁴ эв ), промежуточные (10⁴ —10⁵эв ), быстрые (10⁵ —10⁸ эв ), высокоэнергичные (10⁸ —10¹⁰эв ) и релятивистские (³ 10¹⁰ эв); все Н. с энергией до 10⁵эв объединяют общим названием медленные нейтроны .

   О методах регистрации Н. см. Нейтронные детекторы .

  Основные характеристики нейтронов

  Масса . Наиболее точно определяемой величиной является разность масс Н. и протона: m_n — m_р = (1,29344 ± 0,00007) Мэв, измеренная по энергетическому балансу различных ядерных реакций. Из сопоставления этой величины с массой протона получается (в энергетических единицах)

m_n = (939,5527 ± 0,0052) Мэв;

это соответствует m_n » 1,6·10^-24г, или m_n » 1840 m_е , где m_е — масса электрона.

  Спин и статистика. Значение ¹ /₂ для спина Н. подтверждается большой совокупностью фактов. Непосредственно спин был измерен в опытах по расщеплению пучка очень медленных Н. в неоднородном магнитном поле. В общем случае пучок должен расщепиться на 2J   + 1 отдельных пучков, где J — спин Н. В опыте наблюдалось расщепление на 2 пучка, откуда следует, что J = ¹ /₂ . Как частица с полуцелым спином, Н. подчиняется Ферми — Дирака статистике (является фермионом); независимо это было установлено на основе экспериментальных данных по строению атомных ядер (см. Ядерные оболочки ).

  Электрический заряд нейтронаQ = 0. Прямые измерения Q по отклонению пучка Н. в сильном электрическом поле показывают, что, по крайней мере, Q < 10^-17e, где е — элементарный электрический заряд, а косвенные измерения (по электрической нейтральности макроскопических объёмов газа) дают оценку Q < 2·10^-22е .

  Другие квантовые числа нейтрона . По своим свойствам Н. очень близок протону: n и р имеют почти равные массы, один и тот же спин, способны взаимно превращаться друг в друга, например в процессах бета-распада ; они одинаковым образом проявляют себя в процессах, вызванных сильным взаимодействие , в частности ядерные силы , действующие между парами р—р, n—p и n—n, одинаковы (если частицы находятся соответственно в одинаковых состояниях). Такое глубокое сходство позволяет рассматривать Н. и протон как одну частицу — нуклон, которая может находиться в двух разных состояниях, отличающихся электрическим зарядом Q. Нуклон в состоянии с Q = + 1 есть протон, с Q = 0 — Н. Соответственно, нуклону приписывается (по аналогии с обычным спином) некоторая внутренняя характеристика — изотонический спин I , равный ¹ /₂ , «проекция» которого может принимать (согласно общим правилам квантовой механики) 2I + 1 = 2 значения: + ¹ /₂ и —¹ /₂ . Т. о., n и р образуют изотопический дублет (см. Изотопическая инвариантность ): нуклон в состоянии с проекцией изотопического спина на ось квантования + ¹ /₂ является протоном, а с проекцией —¹ /₂ — Н. Как компоненты изотопического дублета, Н. и протон, согласно современной систематике элементарных частиц, имеют одинаковые квантовые числа: барионный заряд В =+ 1, лептонный заряд L = 0,странность S = 0 и положительную внутреннюю чётность . Изотопический дублет нуклонов входит в состав более широкой группы «похожих» частиц — так называемый октет барионов с J = ¹ /₂ , В = 1 и положительной внутренней чётностью; помимо n и р в эту группу входят L^- , S^± -, S -, X^- -, X- гипероны , отличающиеся от n и р странностью (см. Элементарные частицы ).

  Магнитный дипольный момент нейтрона, определённый из экспериментов по ядерному магнитному резонансу, равен:

  m_n = — (1,91315 ± 0,00007) m_я ,

где m_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 Н., так же как аномальная величина магнитного момента протона (m_р = 2,79m_я ), указывает на то, что эти частицы имеют сложную внутреннюю структуру, т. е. внутри них существуют электрические токи, создающие дополнительный «аномальный» магнитный момент протона 1,79m_я и приблизительно равный ему по величине и противоположный по знаку магнитный момент Н. (—1,9m_я ) (см. ниже).

  Электрический дипольный момент. С теоретической точки зрения, электрический дипольный момент d любой элементарной частицы должен быть равен нулю, если взаимодействия элементарных частиц инвариантны относительно обращения времени (Т-инвариантность). Поиски электрического дипольного момента у элементарных частиц являются одной из проверок этого фундаментального положения теории, и из всех элементарных частиц, Н. — наиболее удобная частица для таких поисков. Опыты по методу магнитного резонанса на пучке холодных Н. показали, что d_n < 10^-23см·e. Это означает, что сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия с большой точностью Т -инвариантны.

  Взаимодействия нейтронов

  Н. участвуют во всех известных взаимодействиях элементарных частиц — сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном.

  Сильное взаимодействие нейтронов . Н. и протон участвуют в сильных взаимодействиях как компоненты единого изотопического дублета нуклонов. Изотопическая инвариантность сильных взаимодействий приводит к определённой связи между характеристиками различных процессов с участием Н. и протона, например эффективные сечения рассеяния p⁺ -мезона на протоне и p^- -мезона на Н. равны, так как системы p⁺ р и p^- n имеют одинаковый изотопический спин I = ³ /₂ и отличаются лишь значениями проекции изотопического спина I₃ (I₃ = + ³ /₂ в первом и I₃ = — ³ /₂ во втором случаях), одинаковы сечения рассеяния К⁺ на протоне и К°на Н, и т.п. Справедливость такого рода соотношений экспериментально проверена в большом числе опытов на ускорителях высокой энергии. [Ввиду отсутствия мишеней, состоящих из Н., данные о взаимодействии с Н. различных нестабильных частиц извлекаются главным образом из экспериментов по рассеянию этих частиц на дейтроне (d) — простейшем ядре, содержащем Н.]