Структурные элементы материи

Нейтрон

Нейтро́н (от лат. neuter – ни тот ни другой; символ n), с нулевым электрическим зарядом и массой, незначительно большей массы . Нейтрон является и входит в группу . Наряду с протоном нейтрон относится к и входит в состав атомных ядер. Открыт в 1932 г. . Так как нейтрон электрически нейтрален, он легко проникает в при любой энергии и с большой вероятностью вызывает . Способность нейтронов вызывать деление тяжёлых ядер в цепной ядерной реакции послужила основой для создания ядерного оружия и ядерной энергетики. Масса нейтрона mn=939,565379(21)МэВ=1,00866491600(43)а.е.м.=1,674927351(74)1024г.m_n=939,565379(21)\: МэВ=1,00866491600(43)\: а. е. м.=1,674927351(74)·10^{–24}\: г.

Нейтрон тяжелее протона на 1,293332МэВ1,293332\: МэВ. нейтрона равен 1/2. В свободном состоянии нейтрон нестабилен – на протон, и ; время жизни составляет 885,7(8)885,7(8) с. В связанном состоянии в составе стабильных ядер нейтрон стабилен. Несмотря на электронейтральность нейтрона, его существенно отличен от нуля: μn=1,91304272(45)μядμ_n=–1,91304272(45)μ_{яд}, где μядμ_{яд} – ядерный , знак магнитного момента определяется относительно направления его спина. Отношение к магнитному моменту протона равно примерно –2/3, что согласуется с кварковой структурой нуклонов.

Статический точечной частицы должен быть тождественно равен нулю. элементарных частиц предполагает малое разделение положительного и отрицательного заряда внутри нейтрона и предсказывает существование электрического дипольного момента, но его расчётная величина мала и остаётся за пределами экспериментального обнаружения.

Согласно современной кварковой модели, нейтрон состоит из трёх : одного uu-кварка с электрическим зарядом +2/3ee и двух dd-кварков с зарядами –1/3ee, связанных между собой . Квантовые числа нейтрона 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 нейтрона ограничен областью порядка 10–13 см – областью кварков. Античастица нейтрона – антинейтрон (n~)(ñ) – открыт в 1956 г.; в пределах точности измерений массы обеих частиц равны.

Свободные нейтроны в природе образуются в ядерных реакциях, вызываемых радиоактивного распада, , и в результате спонтанного или вынужденного деления тяжёлых ядер. Искусственные – ядерные реакторы, ядерные взрывы, ускорители протонов и электронов с мишенями из тяжёлых элементов.

Поскольку нейтрон не имеет электрического заряда, детектирование его посредством ионизации атомов вещества невозможно. Для обычно используются два косвенных метода: захват нейтронов атомными ядрами с последующим излучением ядром αα-частицы или и рассеяние нейтронов на ядрах вещества с последующей регистрацией ядра отдачи.

Методы использования нейтронов в научных и прикладных исследованиях зависят от их кинетической энергии. Нейтроны с кинетической энергией свыше 100 кэВ называют быстрыми, с энергией до 100 кэВ – медленными. образуются в ядерных реакциях при бомбардировке различных ядер заряженными частицами или γγ-квантами высокой энергии, а также при делении ядер. подразделяют на промежуточные (с энергиями 104–105 эВ), резонансные (0,5–104 эВ), (5·10–3–0,5 эВ), (10–7–5·10–3 эВ) и (< 10–7 эВ). Тепловые нейтроны с большой вероятностью захватываются веществом с образованием, как правило, нестабильных, более тяжёлых атомных ядер. Холодные нейтроны образуются из тепловых при прохождении через холодные вещества, например через жидкий . Ультрахолодные нейтроны формируются при на твёрдом дейтерии или на .

Для медленных нейтронов определяющим фактором становятся их волновые свойства. Нейтроны с длиной волны, близкой к межатомным расстояниям (около 0,1 нм), являются важнейшим средством . Медленные нейтроны, подобно , рассеиваясь на атомах твёрдого вещества, . Структура наблюдаемой связана со строением исследуемой среды. Наличие у нейтронов магнитного момента делает пучки чрезвычайно чувствительным инструментом для исследования распределения в веществе.

Особенностью взаимодействия нейтронов с веществом является показатель преломления, меньший единицы. Благодаря этому нейтроны, падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутреннее отражение. Ультрахолодные нейтроны при скорости менее 5–8 м/с испытывают полное внутреннее отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и другими при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрaхолодных нейтронов используется в экспериментах и позволяет реализовать , аналоги оптических линз и призм.

Способность нейтронов при облучении вещества вызывать последующее излучение γγ-квантов используется для . Спектр испущенных γγ-квантов сопоставляется с таблицей линий излучения известных химических элементов и позволяет с высокой точностью определить химический состав вещества.

Нейтрон – одна из немногих элементарных частиц, падение которой в гравитационном поле Земли можно наблюдать экспериментально. Прямое измерение для нейтрона выполнено с погрешностью 0,3 % и не отличается от ускорения свободного падения для макроскопических тел. Гравитационное ускорение и замедление нейтронов широко используются в опытах с ультрахолодными нейтронами.

Согласно современным представлениям, в образование барионов, в том числе протонов и нейтронов, происходит в первые минуты жизни Вселенной. В дальнейшем некоторая часть нейтронов, не успевших распасться, захватывается протонами с образованием ядер 4He^4\text{He} . По астрономическим оценкам, 15 % видимого вещества Вселенной представлено нейтронами, входящими в состав ядер 4He^4\text{He}.

  • Физика атомного ядра
  • Ядерный синтез