НЕУТРОН(n) (от латински neuter - нито едното, нито другото) - елементарна частицас нула електрически заряд и маса, малко по-големи от масата на протона. Заедно с протона под общото име. Нуклонът е част от атомните ядра. З. има спин 1/2 и затова се подчинява Статистика на Ферми - Дирак(е фермион). Принадлежи към семейството адра-нов;има барионно число B= 1, т.е. включени в групата бариони.
Открит през 1932 г. от J. Chadwick, който показа, че трудно проникващата радиация, възникваща от бомбардирането на берилиеви ядра от a-частици, се състои от електрически неутрални частици с маса, приблизително равна на тази на протона. През 1932 г. Д. Д. Иваненко и В. Хайзенберг изказват хипотезата, че атомни ядрасе състоят от протони и H. За разлика от заряда. частици, H. лесно прониква в ядрата при всякаква енергия и е много вероятно да причини ядрени реакцииулавяне (n,g), (n,a), (n, p), ако енергийният баланс в реакцията е положителен. Вероятност за екзотермия ядрената реакция се увеличава със забавянето на H. Обратно пропорционална. скоростта му. Увеличаването на вероятността от реакции на улавяне на Н., когато те се забавят в среда, съдържаща водород, е открито от Е. Ферми и сътрудници през 1934 г. Способността на Н. да предизвиква делене на тежки ядра, открита от О. Хан и Ф. Щрасман (F. Strassman) през 1938 г. (вж. ядрено делене), послужили за основа на създаването ядрени оръжияи ядрена енергия. Особеността на взаимодействието с материята на бавни неутрони, които имат дължина на вълната на де Бройл от порядъка на атомните разстояния (резонансни ефекти, дифракция и др.), служи като основа за широкото използване на неутронни лъчи във физиката твърдо. (Класификация на Х. по енергии - бърза, бавна, топлинна, студена, ултрастудена - виж чл. Неутронна физика.)
В свободно състояние H. е нестабилен - претърпява B-разпад; n p + e - + v e; неговият живот t n = 898(14) s, граничната енергия на електронния спектър е 782 keV (вж. бета разпад на неутрони). В свързано състояние като част от стабилни ядра H. е стабилен (според експериментални оценки, животът му надвишава 10 32 години). Според астр. Смята се, че 15% от видимата материя на Вселената е представена от H., който е част от ядрата 4 He. З. е основният компонент неутронни звезди. Свободните Х. в природата се образуват в ядрени реакции, причинени от a-частици на радиоактивен разпад, космически лъчии в резултат на спонтанно или принудително делене на тежки ядра. Изкуство. източници на Х. са ядрени реактори, ядрени експлозии, ускорители на протони (при средна енергия) и електрони с мишени от тежки елементи. Източниците на монохроматични H. лъчи с енергия 14 MeV са нискоенергийни. дейтронни ускорители с тритиева или литиева мишена, а в бъдеще термоядрените термоядрени инсталации могат да се окажат интензивни източници на такъв H. (См.
.)
Основните характеристики на H.
Маса H. t p = 939,5731(27) MeV/s 2 = = 1,008664967(34) при. единици маса 1,675. 10 -24 г. Разликата между масите на H. и протона се измерва от макс. точност от енергия. баланс на реакцията на H. улавяне от протон: n + p d + g (g-квантова енергия = 2,22 MeV), мн- м p = 1,293323 (16) MeV/c 2 .
Електрически зарядз. Qн
=
0. Най-точни директни измервания Q n се правят чрез отклоняване на лъчи от студена или ултрастудена H. в електростатични. поле: Qн<= 3·10 -21 нея- електронен заряд). Косв. електрически данни неутралност макроскопичен. количество газ, което дават Qn<=
2·10 -22 д.
Завъртете H. Дж= 1/2 беше определено от директни експерименти за разделяне на H лъч в нехомогенно магнитно поле. поле на два компонента [в общия случай броят на компонентите е равен на (2 Дж + 1)].
Магнитен момент H. Въпреки електрическата неутралност на H., неговият магнитен момент. моментът е значително различен от нула: m n = - 1.91304184(88)m I, където m I = д/
2мстр ° С- ядрени магнетон (м p - маса на протон); магнитен знак моментът се определя спрямо посоката на въртенето му. Магнитно сравнение моменти на протона (m p = 2,7928456) и H. направиха възможно да се предположи ролята на p-мезонната среда (обвивката) на „голия“ нуклон при формирането на структурата на нуклона. Съотношението на m p и m n (m p / m n - 3/2) може да се обясни в рамките на идеите за кварковата структура на нуклоните (виж по-долу). Наиб. точно m n измерено чрез сравнение с m p метод ядрено-магнитен резонансна куп студен H.
Електричен диполен момент H. Динамичен, т.е. индуциран диполен момент H. може да възникне в силно електрическо. поле, напр. по време на разсейването на H. върху тежко ядро или по време на разсейването на g-лъчи върху дейтрон. Промяна в енергията на частиците в електрическата енергия. полето се определя от отношението D = -(a o 2 /2). д
2, където a 0 е поляризуемостта на частицата, д
- напрегнатост на полето. Експериментите дават оценки 0<= 10 -42 см 3 (принята система единиц, в к-рой
= с= 1).
Статично електрически диполният момент (EDM) на елементарна частица трябва да бъде идентично равен на нула, ако взаимодействията, които изпитва, са инвариантни по отношение на обръщане на времето (T-инварианти). EDM е различно от нула, ако T-нарушава се инвариантността, която съгл CPT теорема(т.е. инвариантност при съвместния продукт зарядово спрежение, пространствена инверсияи обръщане на времето), е еквивалентно на нарушение SR-в-променливост. Въпреки че нарушението SR-инвариантността е открита през 1964 г. в разпадането на K 0 Л-мезон, все още SR- не са наблюдавани неинвариантни ефекти за други частици (или системи). В модерните унифицирани калибровъчни теории за нарушение на елементарните частици T(или C.P.)-инвариантността може да възникне в електрослабо взаимодействие, въпреки че степента на ефекта е изключително малка. разл. модели на нарушения SR-invariances прогнозира стойността на EDM H. на ниво (10 -24 -10 -32) д.вижте Поради електрическите си неутралност З. е много удобен обект за търсене SR-неинвариантност. Наиб. чувствителен и надежден метод - ЯМР метод с електрическа поле, насложено върху магнита. iole. Промяна на посоката на електричеството полето при запазване на всички други характеристики на резонансния ЯМР спектрометър предизвиква изместване на ЯМР честотата със стойността D v
= -4dE, Където д- EDM. За d~ 10 -25 д. cm Dv ~10 -6 Hz. Използвайки метода за задържане на ултрастуден Н. в ЯМР спектрометър, е възможно да се постигне такава чувствителност. Получени макс. точно ограничение на EDM H.: дн<= 2·10 -25
д.см.
Структура H.
H., заедно с протона, принадлежи към най-леките бариони. Според съвременните идеи, той се състои от трите най-леки валентности кварки(две д-кварки и един u-кварк) от три цвята, образуващи безцветна комбинация. В допълнение към валентните кварки и тези, които ги свързват глуонинуклонът съдържа „море“ от виртуални двойки кварк-антикварк, включително тежки (странни, очаровани и т.н.). Квантовите числа H. се определят изцяло от набора от валентни кварки и пространства. структура - динамиката на взаимодействие на кварки и глуони. Характеристика на това взаимодействие е увеличаването на еф. константи на взаимодействие ( ефективен зареждане)с увеличаване на разстоянието, така че размерът на зоната на взаимодействие е ограничен от т.нар. задържане на кварки - област на задържане на цветни обекти, чийто радиус е ~10 -13 cm (вж. Запазване на цвета).
Последователен описание на структурата на адроните въз основа на съвременните теория на силното взаимодействие - квантова хромодинамика- при изпълнение на теоретичната. трудности обаче за мнозина напълно ще задоволи поставените задачи. резултатите са дадени чрез описание на взаимодействието на нуклоните, представени като елементарни обекти, чрез обмен на мезони. Нека експериментираме. изследване на пространствата. структурата на H. се осъществява чрез разсейване на високоенергийни лептони (електрони, мюони, неутрино, разглеждани в съвременната теория като точкови частици) върху дейтрони. Приносът на разсейване върху протон се измерва в dep. експеримент и може да се извади с помощта на определението. ще изчисли. процедури.
Еластичното и квазиеластично (с разделяне на дейтрон) разсейване на електрони върху дейтрон прави възможно намирането на разпределението на електрическата плътност. зарядни и магнитни момент H. ( форм факторЗ.). Според експеримента разпределението на магнитната плътност. момент З. с точност от порядъка на няколко. % съвпада с разпределението на електрическата плътност. заряд на протона и има средноквадратичен радиус от ~0,8·10 -13 cm (0,8 F). Магн. H. форм фактор се описва доста добре от т.нар. дипол ф-лой Г М n = m n (1 + р 2 /0,71) -2, където р 2 - квадрат на предадения импулс в единици (GeV/c) 2.
По-сложен въпрос е за големината на електрическия ток. (зареждане) форм фактор H. G Eн. От експериментите с разсейване на дейтрони можем да заключим, че G Eн ( р 2 )
<=
0,1 в интервала от квадрати на предадените импулси (0-1) (GeV/c) 2. При р 2 0 поради равенството на нула електрическа. такса H. G Eн- >
0 обаче може да се определи експериментално dG Eн ( р 2 )/dq 2 | р 2=0. Тази стойност е макс. точно установено от измервания дължини на разсейване H. върху електронната обвивка на тежките атоми. Основен Част от това взаимодействие се определя от магнитното поле. момент H. Макс. прецизни експерименти дават дължината на ne-разсейване А ne = -1,378(18) . 10 -16 cm, което се различава от изчислената стойност, определена от магнитното поле. момент H.: а ne = -1,468. 10 -16 см. Разликата между тези стойности дава средната квадратна електрическа стойност. радиус H.<r 2 д n >= = 0,088(12) Fili dG Eн ( р 2)/dq 2 | р 2=0 = -0,02 F2. Тези цифри не могат да се считат за окончателни поради голямото разсейване на данните, декомпозиция. експерименти, надвишаващи отчетените грешки.
Характеристика на взаимодействието на H. с повечето ядра е положителна. дължина на разсейване, което води до коеф. пречупване<
1. Благодаря этому H., падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать
полное внутр. отражение. При скорости u
< (5-8) м/с (ультрахолодные H.) H. испытывают полное отражение от границы
с углеродом, никелем, бериллием и др. при любом угле падения и могут удерживаться
в замкнутых объёмах. Это свойство ультрахолодных H. широко используется в экспериментах
(напр., для поиска ЭДМ H.) и позволяет реализовать нейтронооптич. устройства
(см. Неутронна оптика).
З. и слабо (електрослабо) взаимодействие. Важен източник на информация за електрослабото взаимодействие е b-разпадането на свободния H. На ниво кварк този процес съответства на прехода. Обратният процес на взаимодействие на електронно антинеутрино с протон се нарича. обратен b-разпад. Този клас процеси включва електронно улавяне, провеждащ се в ядра, повторно - n vд.
Разпадане на свободен H. като се вземе предвид кинематиката. параметри се описват с две константи – вектор G V, което се дължи на векторен ток за запазваневселени. константа на слабо взаимодействие и аксиален вектор Г А, стойността на разреза се определя от динамиката на силно взаимодействащите компоненти на нуклона - кварки и глуони. Вълнови функции на началния H. и крайния протон и матричния елемент на n p прехода поради изотоп. инвариантностите се изчисляват доста точно. В резултат на това изчисляването на константите G VИ Г Аот разпадането на свободния H. (за разлика от изчисленията от b-разпадането на ядрата) не е свързано с отчитане на ядрени структурни фактори.
Животът на H. без да се вземат предвид някои корекции е равен на: t n = килограма 2 V+ 3Ж 2 А) -1 , където квключва кинематични фактори и кулонови корекции в зависимост от граничната енергия на b-разпадане и радиационни корекции.
Вероятност за разпад на поляризатора. З. със спин С
, енергии и импулси на електрона и антинеутриното и Р
e, обикновено се описва с израза:
Коеф. корелации а, А, Б, Гможе да се представи като функция от параметър а = (Г А/G V,)exp( азе). Фаза f е различна от нула или p ако T-инвариантността е нарушена. В табл дадени са експериментални данни. стойности за тези коефициенти. и произтичащите от това значения аи f.
Има забележима разлика между тези данни. експерименти за t n, достигайки няколко. процента.
Описанието на електрослабото взаимодействие с H. при по-високи енергии е много по-сложно поради необходимостта да се вземе предвид структурата на нуклоните. Например, m - -capture, m - p n v m се описва с поне два пъти по-голям брой константи. H. също изпитва електрослабо взаимодействие с други адрони без участието на лептони. Такива процеси включват следното.
1) Разпадане на хиперони L np 0, S + np +, S - np - и т.н. Намалената вероятност за тези разпадане е няколко. пъти по-малко, отколкото за нестранни частици, което се описва чрез въвеждане на ъгъла на Кабибо (вж. Кабибо ъгъл).
2) Слабо взаимодействие n - n или n - p, което се проявява като ядрени сили, които не запазват пространства. паритетОбичайната величина на причинените от тях ефекти е от порядъка на 10 -6 -10 -7.
Взаимодействието на Х. със средни и тежки ядра има редица особености, водещи в някои случаи до означава. засилващи ефекти неспазване на паритета в ядрата. Един от тези ефекти е свързан. разликата в напречното сечение на поглъщане на H. с поляризация в посоката на разпространение и срещу нея, ръбове в случая на ядрото 139 La е равна на 7% при = 1,33 eV, съответстващо на Р- вълнов неутронен резонанс. Причината за увеличението е комбинацията от ниска енергия. ширината на състоянията на съставното ядро и високата плътност на нивата с противоположни паритети в това съставно ядро, което осигурява 2-3 порядъка по-голямо смесване на компоненти с различни паритети, отколкото в ниско разположените състояния на ядрата. Резултатът е редица ефекти: асиметрия на излъчването на g-кванти спрямо спина на уловените поляризатори. H. в реакцията (n, g), асиметрия на излъчване на заряд. частици по време на разпадането на съставните състояния в реакцията (n, p) или асиметрията на излъчването на лек (или тежък) фрагмент от делене в реакцията (n, f). Асиметриите имат стойност 10 -4 -10 -3 при топлинна енергия H. V Р-вълнови неутронни резонанси се реализират в допълнение. подобрение, свързано с потискането на вероятността за образуване на запазващ четността компонент на това съставно състояние (поради малката неутронна ширина Р-резонанс) по отношение на примесния компонент с противоположен паритет, който е с-резонанс-сом. Това е комбинация от няколко. факторите на усилване позволяват изключително слаб ефект да се прояви с величина, характерна за ядреното взаимодействие.
Взаимодействия с нарушение на барионното число. Теоретичен модели велико обединениеИ свръхобединенияпредсказват нестабилността на барионите – разпадането им на лептони и мезони. Тези разпади могат да бъдат забележими само за най-леките бариони - p и n, които са част от атомните ядра. За взаимодействие с промяна на барионното число с 1, D б= 1, може да се очаква трансформация от H. тип: n e + p - или трансформация с излъчване на странни мезони. Търсенето на процеси от този вид е извършено в експерименти с помощта на подземни детектори с маса няколко. хиляди тона. Въз основа на тези експерименти можем да заключим, че времето на разпадане на H. с нарушение на барионното число е повече от 10 32 години.
д-р възможен тип взаимодействие с D IN= 2 може да доведе до явлението взаимно преобразуване на H. и антинеутронивъв вакуум, т.е. до трептене
. При липса на външни полета или при ниската им величина, състоянията на H. и антинеутрона са изродени, тъй като масите им са еднакви, следователно дори ултра-слабо взаимодействие може да ги смеси. Критерият за малък външен полета е малката енергия на взаимодействие магн. момент H. с магнит. поле (n и n ~ имат магнитни моменти с противоположен знак) спрямо енергията, определена от времето Tнаблюдения H. (според връзката на несигурност), D<=hT-1 . Когато се наблюдава производството на антинеутрони в Н-лъч от реактор или друг източник Tе времето на полет H. до детектора. Броят на антинеутроните в лъча нараства квадратично с увеличаване на времето на полета: /Нн ~
~
(T/t osc) 2, където t osc е времето на трептене.
Директните експерименти за наблюдение на производството в лъчи студен H. от реактор с висок поток дават ограничение на t osc > 10 7 s. В подготвяните експерименти може да се очаква повишаване на чувствителността до ниво t osc ~ 10 9 s. Ограничаващите обстоятелства са макс. интензитет на H. лъчи и симулация на явления на антинеутронна анихилация в космическия детектор. лъчи.
д-р метод за наблюдение на трептения - наблюдава се анихилация на антинеутрони, които могат да се образуват в стабилни ядра. Освен това, поради голямата разлика между енергиите на взаимодействие на възникващия антинеутрон в ядрото и енергията на свързване H. eff. времето за наблюдение става ~ 10 -22 s, но големият брой наблюдавани ядра (~ 10 32) частично компенсира намаляването на чувствителността в сравнение с експеримента с лъчи H. От данните от подземни експерименти, търсещи протонен разпад, липсата на събития с отделяне на енергия от ~ 2 GeV може да се заключи с известна несигурност, в зависимост от непознаването на точния тип взаимодействие на антинеутрона вътре в ядрото, че t osc > (1-3). 10 7 стр. Същества Увеличаването на границата на t osc в тези експерименти е възпрепятствано от фона, причинен от взаимодействието на космическите частици. неутрино с ядра в подземни детектори.
Трябва да се отбележи, че търсенето на нуклонен разпад с D б= 1 и търсенето на -осцилации са независими експерименти, тъй като са причинени от фундаментално различни видове взаимодействия.
Гравитационно взаимодействие H. Неутронът е една от малкото елементарни частици, които попадат в гравитацията. Земното поле може да се наблюдава експериментално. Директното измерване на гравитационното ускорение за H. се извършва с точност от 0,3% и не се различава от макроскопското. Въпросът за съответствието остава актуален принцип на еквивалентност(равенство на инертни и гравитационни маси) за Х. и протони.
Най-точните експерименти бяха проведени с помощта на метода Et-weight за тела с различни средни стойности. съотношителни стойности A/Z, Където А- при. номер, З- заряд на ядрата (в единици елементарен заряд д). От тези експерименти следва, че ускорението на гравитацията за H. и протоните е идентично на ниво 2·10 -9 и равенството на гравитацията. и инертни маси на ниво ~10 -12.
Земно притегляне ускорение и забавяне се използват широко в експерименти с ултрастудени H. Приложение на гравитацията. Рефрактометърът за студен и ултрастуден H. позволява да се измерват с голяма точност дължините на кохерентното разсейване на H. върху веществото.
Х. по космология и астрофизика
Според съвременните идеи, в модела Hot Universe (вж. Теория за горещата вселена) Образуването на бариони, включително протони и водород, се случва в първите минути от живота на Вселената. Впоследствие определена част от H., която не е имала време да се разпадне, се улавя от протони с образуването на 4 He. Съотношението на водорода и 4He е 70% към 30% тегловни. По време на формирането на звездите и тяхната еволюция, по-нататък нуклеосинтеза, до железни ядра. Образуването на по-тежки ядра възниква в резултат на експлозии на свръхнова с раждането на неутронни звезди, създавайки възможност за последователни. улавяне на H. от нуклиди. В този случай комбинацията от т.нар. с-процес - бавно улавяне на H. с b-разпад между последователни улавяня и r-процес - бързо последователен. улавяне по време на експлозии на звезди главно. може да обясни наблюдаваното разпространението на елементитев космоса обекти.
В първичния компонент на космическото H. лъчи вероятно липсват поради тяхната нестабилност. H., образуван на повърхността на Земята, дифундиращ в космоса. космоса и тези, които се разпадат там, очевидно допринасят за образуването на електронните и протонните компоненти радиационни поясиЗемята.
Лит.:Гуревич И.С., Тарасов Л.В., Физика на неутроните с ниска енергия, М., 1965; Александров Ю. А. Основни свойства на неутрона, 2 изд., М., 1982 г.
Неутрон (англ. neutron, от лат. neuter - нито едното, нито другото; символ n)
неутрална (без електрически заряд) елементарна частица със спин 1/2 (в единици константа на Планк ħ
) и маса, малко по-голяма от масата на протон. Всички атомни ядра са изградени от протони и азот (вижте Атомно ядро). Магнитният момент на магнита е равен приблизително на два ядрени магнетона и е отрицателен, т.е. той е насочен срещу механичния, спиновия, ъглов момент. Н. принадлежат към класа на силно взаимодействащи частици (адрони) и са включени в групата на барионите, т.е. имат специална вътрешна характеристика - барионен заряд (Виж Барионен заряд) ,
равен, като този на протона (p), + 1. N. са открити през 1932 г. от английския физик J. Chadwick ,
който установява, че проникващата радиация, открита от немските физици В. Боте и Г. Бекер, възникваща при бомбардиране на атомни ядра (по-специално берилий) от α-частици, се състои от незаредени частици с маса, близка до масата на протона. Н. са стабилни само в състава на стабилни атомни ядра. Свободен N. - нестабилна частица, която се разпада на протон, електрон (e -) и електронно антинеутрино среден живот на N. τ ≈ 16 мин.В материята свободният азот съществува още по-малко (в плътните вещества има единици - стотици μсек) поради силното им усвояване от ядрата. Следователно свободните N. се срещат в природата или се получават в лабораторията само в резултат на ядрени реакции (виж) .
На свой ред свободният азот е способен да взаимодейства с атомните ядра, до най-тежките; изчезвайки, N. предизвиква една или друга ядрена реакция, от която особено значение има деленето на тежки ядра, както и радиационното улавяне на N., водещо в някои случаи до образуването на радиоактивни изотопи. Голямата ефективност на неутроните при извършване на ядрени реакции и уникалният характер на взаимодействието на много бавни ядра с материята (резонансни ефекти, дифракционно разсейване в кристали и др.) правят неутроните изключително важен изследователски инструмент в ядрената физика и физиката на твърдото тяло. В практическите приложения неутроните играят ключова роля в ядрената енергия (вижте ядрена енергия) и производството на трансуранови елементи и радиоактивни изотопи (изкуствена радиоактивност), а също така се използват широко в химичния анализ (активационен анализ) и геоложките проучвания (неутронна регистрация). .
В зависимост от енергията на N. се приема тяхната условна класификация: ултра-студен N. (до 10 -7 ев),
много студено (10 -7 -10 -4 eV), студено (10 -4 -5․10 -3 ев),
термичен (5․10 -3 -0,5 eV), резонансен (0,5-10 4 ев),
междинен (10 4 -10 5 ев),
бързо (10 5 -10 8 ев),
висока енергия (10 8 -10 10 ев) и релативистични (≥ 10 10 eV); всички N. с енергия до 10 5 евобединени под общото наименование Бавни неутрони.
Основни характеристики на неутроните Тегло. Най-точно определената стойност е разликата между масите на водорода и протона: m n - m r= (1,29344 ± 0,00007) Маев,измерена чрез енергийния баланс на различни ядрени реакции. Сравнявайки това количество с масата на протона, получаваме (в енергийни единици) m n= (939,5527 ± 0,0052) Мев; то съответства m n≈ 1,6·10 -24 G,или m n≈
1840 аз аз,Където аз -електронна маса. Спин и статистика.Стойността на 1/2 за спин N се потвърждава от голям брой факти. Спинът беше директно измерен в експерименти за разделяне на лъч от много бавни неутрони в нееднородно магнитно поле. Като цяло лъчът трябва да се раздели на 2 Дж+ 1 отделни снопове, където Дж- спин N. В експеримента се наблюдава разделяне на 2 лъча, което означава, че Дж= 1/2. Като частица с полуцяло спин, N. се подчинява на статистиката на Ферми-Дирак (виж статистиката на Ферми-Дирак) (е фермион); Това е независимо установено въз основа на експериментални данни за структурата на атомните ядра (виж Ядрени обвивки).
Електрически заряд на неутрон Q= 0. Директни измервания Qчрез отклонението на лъча Н. в силно електрическо поле показват, че поне Qд, къде д -елементарен електрически заряд и индиректни измервания (базирани на електрическата неутралност на макроскопични обеми газ) дават оценка Qд. Други неутронни квантови числа. По своите свойства азотът е много близък до протона: n и p имат почти равни маси, еднакъв спин и са способни взаимно да се трансформират един в друг, например в процесите на бета-разпадане a ;
те се проявяват по същия начин в процеси, причинени от силни взаимодействия (виж Силни взаимодействия), по-специално ядрени сили ,
действащи между двойки p-p, n-p и n-n, са еднакви (ако частиците са съответно в едни и същи състояния). Такова дълбоко сходство ни позволява да разглеждаме нуклон и протон като една частица - нуклон, който може да бъде в две различни състояния, които се различават по електрически заряд Q.Нуклонът е в състояние с Q= + 1 е протон, s Q = 0 -
N. Съответно на нуклона се приписва (по аналогия с обикновения спин) някаква вътрешна характеристика - изотоничен спин аз, равно на 1/2, чиято „проекция“ може да отнеме (според общите правила на квантовата механика) 2 аз+ 1 = 2 стойности: + 1/2 и - 1/2. Така n и p образуват изотопен дублет (вижте Изотопна инвариантност) :
нуклон в състояние с проекция на изотопния спин върху оста на квантуване + 1/2 е протон, а с проекция - 1/2 - N. Като компоненти на изотопен дублет, N. и протонът, според съвременната систематика на елементарните частици, имат еднакви квантови числа: барионен заряд IN=+ 1, Лептон заряд Л = 0,
Странност С= 0 и положителен вътрешен паритет. Изотопният дублет на нуклоните е част от по-широка група от „подобни“ частици - така нареченият октет от бариони с Дж = 1 / 2 ,IN= 1 и положителен вътрешен паритет; в допълнение към n и p, тази група включва Λ -, Σ ± -, Σ 0 -, Ξ - -, Ξ 0 -
Хиперони ,
различаващи се от n и p по странност (виж Елементарни частици).
Магнитен диполен момент на неутрона,определено от експерименти с ядрено-магнитен резонанс е равно на: μ n = - (1,91315 ± 0,00007) μ i, където μ i =5,05․10 -24 ерг/гс -ядрен магнетон. Частица със спин 1/2, описана от уравнението на Дирак m ,
трябва да има магнитен момент, равен на един магнетон, ако е зареден, и нула, ако не е зареден. Наличието на магнитен момент в N., както и аномалната стойност на магнитния момент на протона (μ p = 2,79μ i), показва, че тези частици имат сложна вътрешна структура, тоест има електрически токове вътре тях, които създават допълнителен „аномалния“ магнитен момент на протона е 1,79μi и приблизително еднакъв по големина и противоположен по знак е магнитният момент N. (-1,9μi) (виж по-долу).
Електричен диполен момент.От теоретична гледна точка електрическият диполен момент дна всяка елементарна частица трябва да бъде равно на нула, ако взаимодействията на елементарните частици са инвариантни при обръщане на времето (вижте Обръщане на времето) (Т-инвариантност). Търсенето на електричния диполен момент в елементарните частици е една от проверките на това фундаментално положение на теорията и от всички елементарни частици Н. е най-удобната частица за такива търсения. Експериментите, използващи метода на магнитния резонанс върху сноп от студени неутрони, показват, че d n cm·e. Това
означава, че силните, електромагнитни и слаби взаимодействия с голяма точност T-инвариантен. Неутронни взаимодействия Н. участват във всички известни взаимодействия на елементарните частици - силни, електромагнитни, слаби и гравитационни. Силно взаимодействие на неутрони. N и протонът участват в силни взаимодействия като компоненти на един изотопен дублет от нуклони. Изотопната инвариантност на силните взаимодействия води до определена връзка между характеристиките на различни процеси, включващи неутрони и протони, например ефективните напречни сечения за разсейване на π + мезон върху протон и π - мезон върху неутрон са равни , тъй като системите π + p и π - n имат еднакъв изотопен спин аз= 3/2 и се различават само в стойностите на проекцията на изотопния спин аз 3 (аз 3 = + 3 / 2 в първото и аз 3 = - 3 / 2 във втория случай), напречните сечения на разсейване на K + върху протон и K° върху H са еднакви и т.н. Валидността на този вид връзка е експериментално проверена в голям брой експерименти на високоенергийни ускорители. [Поради липсата на мишени, състоящи се от неутрони, данните за взаимодействието на различни нестабилни частици с ядра се извличат главно от експерименти върху разсейването на тези частици върху деутрона (d), най-простото ядро, съдържащо ядра.] При ниски енергии действителните взаимодействия на неутрони и протони със заредени частици и атомни ядра се различават значително поради наличието на електрически заряд върху протона, което определя съществуването на далечни кулонови сили между протона и други заредени частици на разстояния при които практически липсват ядрени сили с малък обсег. Ако енергията на сблъсък на протон с протон или атомно ядро е под височината на Кулоновата бариера (която за тежките ядра е около 15 Мев),
Разсейването на протоните възниква главно поради електростатичните сили на отблъскване, които не позволяват на частиците да се доближават една до друга на разстояния от порядъка на радиуса на действие на ядрените сили. Липсата на електрически заряд на N. му позволява да проникне в електронните обвивки на атомите и свободно да се доближава до атомните ядра. Именно това определя уникалната способност на неутроните при относително ниски енергии да предизвикват различни ядрени реакции, включително реакцията на делене на тежки ядра. За методите и резултатите от изследванията на взаимодействието на неутрони с ядра вижте статиите Бавни неутрони, Неутронна спектроскопия,
Ядрено делене ,
Разсейване на бавни неутрони от протони при енергии до 15 Мевсферично симетрична в центъра на инерционната система. Това показва, че разсейването се определя от взаимодействието на n - p в състояние на относително движение с орбиталния ъглов момент л= 0 (т.нар С-вълна). Разпръскване в С-състоянието е специфично квантовомеханично явление, което няма аналог в класическата механика. То преобладава над разсейването в други състояния, когато дължината на вълната на де Бройл е H. от порядъка на или по-голям от радиуса на действие на ядрените сили ( ħ
- Константата на Планк, v-скорост N.). Тъй като при енергия 10 Мевдължина на вълната N. Тази особеност на ядреното разсейване върху протони при такива енергии директно предоставя информация за порядъка на големината на радиуса на действие на ядрените сили. Теоретичното разглеждане показва, че разсейването в С-състояние слабо зависи от детайлната форма на потенциала на взаимодействие и се описва с добра точност от два параметъра: ефективния радиус на потенциала rи така наречената дължина на разсейване А. Всъщност, за да се опише n - p разсейването, броят на параметрите е два пъти по-голям, тъй като np системата може да бъде в две състояния с различни стойности на общото въртене: Дж= 1 (триплетно състояние) и Дж= 0 (единично състояние). Опитът показва, че дължините на разсейване на водорода от протон и ефективните радиуси на взаимодействие в синглетното и триплетното състояние са различни, т.е.ядрените сили зависят от общия спин на частиците.От експериментите също следва, че свързаното състояние на система np (деутериево ядро) може да съществува само когато общият спин е 1, докато в синглетното състояние големината на ядрените сили е недостатъчна за образуване на свързаното състояние на водород - протон. Дължината на ядреното разсейване в синглетно състояние, определена от експерименти върху разсейването на протони върху протони (два протона в С-състояние, според принципа на Паули ,
може да бъде само в състояние с нулев общ спин) е равна на n-p дължината на разсейване в синглетното състояние. Това е в съответствие с изотопната инвариантност на силните взаимодействия. Отсъствието на свързана система в синглетно състояние и изотопната инвариантност на ядрените сили водят до заключението, че не може да съществува свързана система от два неутрона - т. нар. бинеутрон (подобно на протоните, два неутрона в С-състоянието трябва да има общ спин, равен на нула). Директни експерименти за n-n разсейване не са проведени поради липсата на неутронни мишени, но косвени данни (свойства на ядрата) и по-директни - изследването на реакциите 3 H + 3 H → 4 He + 2n, π - + d → 2n + γ - са в съответствие с изотопната хипотеза за инвариантност на ядрените сили и отсъствието на бинеутрон. [Ако бинеутрон съществуваше, тогава в тези реакции пикове в енергийните разпределения на α-частици (4 He ядра) и γ-кванти, съответно, биха се наблюдавали при добре дефинирани енергийни стойности.] Въпреки че ядреното взаимодействие в синглетно състояние не е достатъчно силен, за да образува бинеутрон, това не изключва възможността за образуване на свързана система, състояща се само от голям брой неутронни ядра. Този въпрос изисква допълнително теоретично и експериментално проучване. Опитите за експериментално откриване на ядра от три до четири нуклеотида, както и ядра 4 H, 5 H, 6 H, все още не са дали положителен резултат.Въпреки липсата на последователна теория за силни взаимодействия, въз основа на редица съществуващите концепции е възможно да се разберат качествено някои модели на силни взаимодействия и структури на неутрони.Според тези идеи силното взаимодействие между ядрата и други адрони (например протон) възниква чрез обмен на виртуални адрони (виж Виртуални частици) -
π-мезони, ρ-мезони и т.н. Тази картина на взаимодействие обяснява природата на ядрените сили с малък обсег, чийто радиус се определя от дължината на вълната на Комптън (вижте дължина на вълната на Комптон) на най-лекия адрон - π-мезона (равен на 1,4․10 -13 см). В същото време това показва възможността за виртуална трансформация на неутрони в други адрони, например процесът на излъчване и абсорбция на π мезона: n → p + π - → n. Интензивността на силните взаимодействия, известна от опита, е такава, че Н. трябва да прекарва по-голямата част от времето в такива „дисоциирани“ състояния, като е в „облак“ от виртуални π-мезони и други адрони. Това води до пространствено разпределение на електрическия заряд и магнитния момент вътре в магнита, чиито физически размери се определят от размера на „облака“ от виртуални частици (вижте също Фактор на формата). По-специално се оказва възможно да се интерпретира качествено споменатото по-горе приблизително равенство по абсолютна стойност на аномалните магнитни моменти на неутрона и протона, ако приемем, че магнитният момент на неутрона се създава от орбиталното движение на заредени π - мезони, виртуално излъчвани в процеса n → p + π - → n, а аномалният магнитен момент на протона е орбиталното движение на виртуалния облак от π + мезони, създаден от процеса р → n + π +
→ r. Електромагнитни взаимодействия на неутрона.Електромагнитните свойства на метала се определят от наличието на магнитен момент, както и от разпределението на положителните и отрицателните заряди и токове, съществуващи вътре в метала. Всички тези характеристики, както следва от предишното, са свързани с участието на N. в силни взаимодействия, които определят неговата структура. Магнитният момент на магнита определя поведението на магнита във външни електромагнитни полета: разделяне на лъч в неравномерно магнитно поле и прецесия на въртене на магнит.Вътрешната електромагнитна структура на магнита се проявява по време на разсейването на високи -енергия на електрони върху магнит и в процесите на производство на мезони върху магнит. -
кванти (фотопроизводство на мезони). Електромагнитните взаимодействия на неутроните с електронните обвивки на атомите и атомните ядра водят до редица явления, които са важни за изследването на структурата на материята. Взаимодействието на магнитния момент на неутроните с магнитните моменти на електронните обвивки на атомите се проявява значително за неутрони, чиято дължина на вълната е от порядъка на или по-голяма от атомните размери (енергия д ev) ,
и се използва широко за изследване на магнитна структура и елементарни възбуждания (спинови вълни (виж Спинови вълни))
магнитно подредени кристали (виж Неутронография). Интерференцията с ядреното разсейване прави възможно получаването на лъчи от поляризирани бавни неутрони (вижте Поляризирани неутрони) .
Взаимодействието на магнитния момент на неутрона с електрическото поле на ядрото предизвиква специфично разсейване на неутрони, посочено за първи път от американския физик Дж. Швингер и поради това наречено "разсейване на Швингер". Общото напречно сечение на това разсейване е малко, но при малки ъгли (неутрон 3°) то става сравнимо с напречното сечение на ядрено разсейване; Н., разпръснати под такива ъгли, са силно поляризирани. Взаимодействието между магнит и електрон (n-e), което не е свързано със собствения или орбиталния импулс на електрона, се свежда главно до взаимодействието на магнитния момент на магнита с електрическото поле на електрона. Друг, очевидно по-малък, принос към (n-e) взаимодействието може да се дължи на разпределението на електрически заряди и токове вътре в N. Въпреки че (n-e) взаимодействието е много малко, то е наблюдавано в няколко експеримента. Слабо неутронно взаимодействиесе проявява в процеси като разпадането на N.: и мюонно неутрино (ν μ) чрез неутрон: ν μ + n → р + μ -, ядрено улавяне на мюони: μ - + р → n + ν μ, разпадане на странни частици (Вижте Странни частици) ,
например Λ → π° + n и т.н. Гравитационно взаимодействие на неутрона. N. е единствената елементарна частица с маса на покой, за която директно се наблюдава гравитационно взаимодействие - кривината в полето на земната гравитация на траекторията на добре колимиран лъч студен N. Измереното гравитационно ускорение на N., в рамките на точността на експеримента, съвпада с гравитационното ускорение на макроскопичните тела. Неутроните във Вселената и околоземното пространство Въпросът за количеството неутрони във Вселената в ранните етапи на нейното разширяване играе важна роля в космологията. Според модела на горещата Вселена (виж Космология) ,
значителна част от първоначално съществуващия свободен N. има време да се разпадне по време на разширяването. Частта от водорода, която е уловена от протони, в крайна сметка трябва да доведе до приблизително 30% съдържание на He ядра и 70% съдържание на протони. Експерименталното определяне на процентния състав на He във Вселената е един от критичните тестове на модела на горещата Вселена.
В основния компонент на космическите лъчи (вижте Космически лъчи) неутроните отсъстват поради тяхната нестабилност. Въпреки това, взаимодействията на частиците на космическите лъчи с ядрата на атомите в земната атмосфера водят до генериране на ядра в атмосферата. Реакцията 14 N (n, p) 14 C, причинена от тези N., е основният източник на радиоактивния въглероден изотоп 14 C в атмосферата, откъдето навлиза в живите организми; Радиовъглеродният метод на геохронологията се основава на определяне на съдържанието на 14 C в органични остатъци (вижте Геохронология). Разпадането на бавни неутрони, дифундиращи от атмосферата в околоземното пространство, е един от основните източници на електрони, запълващи вътрешната област на радиационния пояс на Земята (вижте радиационните пояси на Земята). Лит.:Власов N.A., Неутрони, 2-ро издание, М., 1971; Гуревич И. И., Тарасов Л. В., Физика на неутроните с ниска енергия, М., 1965. Ф. Л. Шапиро, В. И. Лущиков. Велика съветска енциклопедия. - М.: Съветска енциклопедия.
1969-1978
.
Какво е неутрон? Какви са неговата структура, свойства и функции? Неутроните са най-големите частици, които изграждат атомите, градивните елементи на цялата материя.
Атомна структура
Неутроните се намират в ядрото, плътна област на атома, също изпълнена с протони (положително заредени частици). Тези два елемента се държат заедно от сила, наречена ядрена. Неутроните имат неутрален заряд. Положителният заряд на протона се съпоставя с отрицателния заряд на електрона, за да се създаде неутрален атом. Въпреки че неутроните в ядрото не влияят на заряда на атома, те все още имат много свойства, които влияят на атома, включително нивото на радиоактивност.
Неутрони, изотопи и радиоактивност
Частица, която се намира в ядрото на атома, е неутрон, който е с 0,2% по-голям от протона. Заедно те съставляват 99,99% от общата маса на един и същи елемент и могат да имат различен брой неутрони. Когато учените се позовават на атомна маса, те имат предвид средна атомна маса. Например въглеродът обикновено има 6 неутрона и 6 протона с атомна маса 12, но понякога се среща с атомна маса 13 (6 протона и 7 неутрона). Въглерод с атомен номер 14 също съществува, но е рядък. Така че атомната маса на въглерода е средно 12,011.
Когато атомите имат различен брой неутрони, те се наричат изотопи. Учените са намерили начини да добавят тези частици към ядрото, за да създадат по-големи изотопи. Сега добавянето на неутрони не влияе на заряда на атома, тъй като те нямат заряд. Те обаче увеличават радиоактивността на атома. Това може да доведе до много нестабилни атоми, които могат да отделят високи нива на енергия.
Какво е ядрото?
В химията ядрото е положително зареден център на атом, който се състои от протони и неутрони. Думата "ядро" идва от латинското ядро, което е форма на думата, означаваща "орех" или "ядро". Терминът е въведен през 1844 г. от Майкъл Фарадей, за да опише центъра на атома. Науките, занимаващи се с изучаването на ядрото, изучаването на неговия състав и характеристики, се наричат ядрена физика и ядрена химия.
Протоните и неутроните се държат заедно от силната ядрена сила. Електроните са привлечени от ядрото, но се движат толкова бързо, че тяхното въртене се случва на известно разстояние от центъра на атома. Ядреният заряд със знак плюс идва от протони, но какво е неутрон? Това е частица, която няма електрически заряд. Почти цялото тегло на атома се съдържа в ядрото, тъй като протоните и неутроните имат много по-голяма маса от електроните. Броят на протоните в едно атомно ядро определя неговата идентичност като елемент. Броят на неутроните показва кой изотоп на елемента е атомът.
Размер на атомното ядро
Ядрото е много по-малко от общия диаметър на атома, тъй като електроните могат да бъдат по-далеч от центъра. Водородният атом е 145 000 пъти по-голям от ядрото си, а урановият атом е 23 000 пъти по-голям от своя център. Водородното ядро е най-малкото, защото се състои от един протон.
Подреждане на протоните и неутроните в ядрото
Протоните и неутроните обикновено се изобразяват като опаковани заедно и равномерно разпределени в сфери. Това обаче е опростяване на действителната структура. Всеки нуклон (протон или неутрон) може да заема определено енергийно ниво и диапазон от местоположения. Докато ядрото може да бъде сферично, то може да бъде и с крушовидна, сферична или дисковидна форма.
Ядрата на протоните и неутроните са бариони, състоящи се от най-малките, наречени кварки. Силата на привличане има много кратък обхват, така че протоните и неутроните трябва да са много близо един до друг, за да бъдат свързани. Това силно привличане преодолява естественото отблъскване на заредените протони.
Протон, неутрон и електрон
Мощен тласък в развитието на такава наука като ядрената физика беше откриването на неутрона (1932 г.). За това трябва да благодарим на английския физик, ученик на Ръдърфорд. Какво е неутрон? Това е нестабилна частица, която в свободно състояние може да се разпадне на протон, електрон и неутрино, така наречената безмасова неутрална частица, само за 15 минути.
Частицата получава името си, защото няма електрически заряд, тя е неутрална. Неутроните са изключително плътни. В изолирано състояние един неутрон ще има маса само 1,67·10 - 27, а ако вземете чаена лъжичка, плътно натъпкана с неутрони, полученото парче материя ще тежи милиони тонове.
Броят на протоните в ядрото на даден елемент се нарича атомно число. Този номер дава на всеки елемент неговата уникална идентичност. В атомите на някои елементи, като въглерода, броят на протоните в ядрата винаги е един и същ, но броят на неутроните може да варира. Атом на даден елемент с определен брой неутрони в ядрото се нарича изотоп.
Опасни ли са единичните неутрони?
Какво е неутрон? Това е частица, която заедно с протона е включена в Въпреки това, понякога те могат да съществуват самостоятелно. Когато неутроните са извън ядрата на атомите, те придобиват потенциално опасни свойства. Когато се движат с висока скорост, те произвеждат смъртоносна радиация. Така наречените неутронни бомби, известни със способността си да убиват хора и животни, но имат минимален ефект върху неживите физически структури.
Неутроните са много важна част от атома. Високата плътност на тези частици, съчетана с тяхната скорост, им придава изключителна разрушителна сила и енергия. В резултат на това те могат да променят или дори да разкъсат ядрата на атомите, които удрят. Въпреки че неутронът има неутрален електрически заряд, той се състои от заредени компоненти, които взаимно се компенсират по отношение на заряда.
Неутронът в атома е малка частица. Подобно на протоните, те са твърде малки, за да се видят дори с електронен микроскоп, но те са там, защото това е единственият начин да се обясни поведението на атомите. Неутроните са много важни за стабилността на атома, но извън неговия атомен център те не могат да съществуват дълго и се разпадат средно само за 885 секунди (около 15 минути).
