Чему равен нейтрон. Значение слова нейтрон
НЕЙТРОН
(n) (от лат. neuter - ни тот,
ни другой) - элементарная частица с нулевым электрич. зарядом и массой, незначительно
большей массы протона. Наряду с протоном под общим назв. нуклон входит в состав
атомных ядер. H. имеет спин 1 / 2 и, следовательно, подчиняется
Ферми - Дирака статистике
(является фермионом). Принадлежит к семейству
адра-нов;
обладает барионным числом B=
1, т. е. входит в
группу барионов
.
Открыт в 1932 Дж. Чедвиком (J. Chadwick), показавшим,
что жёсткое проникающее излучение, возникающее при бомбардировке ядер бериллия
a-частицами,
состоит из электрически нейтральных частиц с массой, примерно равной протонной.
В 1932 Д. Д. Иваненко и В. Гей-зенберг (W. Heisenberg) выдвинули гипотезу о
том, что атомные ядра состоят из протонов и H. В отличие от заряж. частиц, H.
легко проникает в ядра при любой энергии и с большой вероятностью вызывает ядерные
реакции
захвата (n,g), (n,a), (n, p), если баланс энергии в реакции
положительный. Вероятность экзотермич. увеличивается при замедлении
H. обратно пропорц. его скорости. Увеличение вероятности реакций захвата H.
при их замедлении в водородсодержащих средах было обнаружено Э. Ферми (E. Fermi)
с сотрудниками в 1934. Способность H. вызывать деление тяжёлых ядер, открытая
О. Ганом (О. Hahn) и Ф. Штрасманом (F. Strassman) в 1938 (см. Деление ядер)
, послужила основой для создания ядерного оружия и . Своеобразие
взаимодействия с веществом медленных H., имеющих де-бройлевскую длину волны
порядка атомных расстояний (резонансные эффекты, дифракция и т. д.), служит
основой широкого использования нейтронных пучков в физике твёрдого тела. (Классификацию
H. по энергиям - быстрые, медленные, тепловые, холодные, ультрахолодные - см.
в ст. Нейтронная физика
.)
В свободном состоянии H. нестабилен - испытывает
B-распад; n
p + е - + v e
; его время жизни t n
= = 898(14) с, граничная энергия спектра электронов 782 кэВ (см. Бета-распад
нейтрона)
. В связанном состоянии в составе стабильных ядер H. стабилен (по
эксперим. оценкам, его время жизни превышает 10 32 лет). По астр.
оценкам, 15% видимого вещества Вселенной представлено H., входящими в состав
ядер 4 He. H. является осн. компонентой нейтронных звёзд
. Свободные
H. в природе образуются в ядерных реакциях, вызываемых a-частицами радиоактивного
распада, космическими лучами
и в результате спонтанного либо вынужденного
деления тяжёлых ядер. Искусств. источниками H. служат ядерные реакторы, ядерные
взрывы
, ускорители протонов (на ср. энергии) и электронов с мишенями из
тяжёлых элементов. Источниками монохроматичных пучков H. с энергией 14 МэВ являются
низкоэнергетич. ускорители дейтронов с тритиевой или литиевой мишенью, а в будущем
интенсивными источниками таких H. могут оказаться термоядерные установки УТС.
(См.
.)
Основные характеристики H
.
Масса H. т п =
939,5731(27)
МэВ/с 2 = = 1,008664967(34) ат. ед. массы
1,675 . 10 -24 г. Разность масс H. и протона измерена с наиб.
точностью из энергетич. баланса реакции захвата H. протоном: n + p
d + g (энергия g-кванта
= 2,22 МэВ), m
n - m
p = 1,293323 (16) МэВ/с 2 .
Электрический заряд H. Q
n
=
0. Наиболее точные прямые измерения Q
n выполнены
по отклонению пучков холодных либо ультрахолодных H. в электростатич. поле:
Q
n <= 3·10 -21 е (е
- заряд электрона).
Косв. данные по электрич. нейтральности мак-роскопич. кол-ва газа дают Q n
<=
2·10 -22 е
.
Спин H. J
= 1 / 2
был определён из прямых опытов по расщеплению пучка H. в неоднородном магн.
поле на две компоненты [в общем случае число
компонент равно (2J
+ 1)].
Последоват. описание структуры адронов на основе
совр. теории сильного взаимодействия - квантовой хромодинамики
- пока
встречает теоретич. трудности, однако для мн. задач вполне удовлетворит. результаты
даёт описание взаимодействия нуклонов, представляемых как элементарные объекты,
посредством обмена мезонами. Эксперим. исследование пространств. структуры H.
выполняется с помощью рассеяния высокоэнергичных лептонов (электронов, мюонов,
нейтрино, рассматриваемых в совр. теории как точечные частицы) на дейтронах.
Вклад рассеяния на протоне измеряется в отд. эксперименте и может быть вычтен
с помощью определ. вычислит. процедуры.
Упругое и квазиупругое (с расщеплением дейтрона)
рассеяние электронов на дейтроне позволяет найти распределение плотности электрич.
заряда и магн. момента H. (формфактор
H.). Согласно эксперименту, распределение
плотности магн. момента H. с точностью порядка неск. процентов совпадает с распределением
плотности электрич. заряда протона и имеет среднеквадратичный радиус ~0,8·10 -13
см (0,8 Ф). Магн. форм-фактор H. довольно хорошо описывается т. н. диполь-ной
ф-лой G M
n = m n (1
+ q
2 /0,71) -2 , где q
2 -
квадрат переданного импульса в единицах (ГэВ/с) 2 .
Более сложен вопрос о величине электрич. (зарядового)
формфактора H. G E
n . Из экспериментов по рассеянию
на дейтроне можно сделать заключение, что G E
n (q
2 )
<=
0,1 в интервале квадратов переданных импульсов (0-1) (ГэВ/с) 2 .
При q
2
0 вследствие равенства нулю электрич. заряда H. G E
n
->
0, однако экспериментально можно определить дG E
n (q
2 )/дq
2 | q
2=0 .
Эта величина наиб. точно находится из измерений длины рассеяния
H. на
электронной оболочке тяжёлых атомов. Осн. часть такого взаимодействия определяется
магн. моментом H. Наиб. точные эксперименты дают длину ne-рассеяния а
nе
= -1,378(18) . 10 -16 см, что отличается от расчётной, определяемой
магн. моментом H.: a
nе = -1,468 . 10 -16
см. Разность этих значений даёт среднеквадратичный электрич. радиус H. <r
2 E
n >=
= 0,088(12) Фили дG E
n (q
2)/дq
2 | q
2=0 =
-0,02 F 2 . Эти циф-ры нельзя рассматривать как окончательные
из-за большого разброса данных разл. экспериментов, превышающих приводимые ошибки.
Особенностью взаимодействия H. с большинством
ядер является положит. длина рассеяния, что приводит к коэф. преломления <
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. Нейтронная оптика
).
H. и слабое (электрослабое) взаимодействие
. Важным источником сведений об электрослабом взаимодействии является b-распад
свободного H.
.На квар-ковом уровне этот процесс соответствует переходу
. Обратный процесс взаимодействия электронного с протоном, ,
наз. обратным b-распадом.
К этому же классу процессов относится электронный захват
,имеющий место
в ядрах, ре - nv
e .
Распад свободного H. с учётом кинематич. параметров
описывается двумя константами - векторной G V
, являющейся вследствие
векторного тока сохранения
универс. константой слабого взаимодействия,
и аксиально-векторной G A
, величина
к-рой определяется динамикой сильно взаимодействующих компонент нуклона - кварков
и глюонов. Волновые ф-ции начального H. и конечного протона и матричный элемент
перехода n p
благодаря изотопич. инвариантности вычисляются достаточно точно. Вследствие
этого вычисление констант G V
и G A
из распада
свободного H. (в отличие от вычислений из b-распада
ядер) не связано с учётом ядерно-структурных факторов.
Время жизни H. без учёта нек-рых поправок равно:
t n
= k(G
2 V +
3G
2 A
) -1 ,
где k
включает кинематич. факторы и зависящие от граничной энергии b-распада
кулонов-ские поправки и радиационные поправки
.
Вероятность распада поляризов. H. со спином S
,
энергиями и импульсами электрона и антинейтрино
и р
е,
в общем виде описывается выражением:
Коэф. корреляции a,
А, В, D
могут быть представлены в виде ф-ции от параметра а =
(G A
/G V
,)exp(i
f).
Фаза f отлична от нуля или p, если T
-инвариантность нарушена.
В табл. приведены эксперим. значения для этих коэф. и вытекающие из них значения
a
и f.
Имеется заметное отличие данных разл. экспериментов
для т n , достигающее неск. процентов.
Описание электрослабого взаимодействия с участием
H. при более высоких энергиях гораздо сложнее из-за необходимости учитывать
структуру нуклонов. Напр., m - -захват, m - p
nv
m , описывается по крайней мере удвоенным числом
констант. H. испытывает также электрослабое взаимодействие с др. адронами без
участия лептонов. К таким процессам относятся следующие.
1) Распады гиперонов L
np 0 , S +
np + , S - np -
и т. д. Приведённая вероятность этих распадов в неск. раз меньше, чем у нестранных
частиц, что описывается введением угла Кабиббо (см. Кабиббо угол
).
2) Слабое взаимодействие n - n или n - p, к-рое
проявляется как ядерные силы, не сохраняющие пространств. чётность
.Обычная
величина обусловленных ими эффектов порядка 10 -6 -10 -7 .
Взаимодействие H. со средними и тяжёлыми ядрами
имеет ряд особенностей, приводящих в нек-рых случаях к значит. усилению эффектов
несохранения чётности в ядрах
. Один из таких эффектов - относит. разность
сечения поглощения H. с по направлению распространения и против
него, к-рая в случае ядра 139 La равна 7% при
= 1,33 эВ, соответствуют щей р
-волновому нейтронному резонансу. Причиной
усиления является сочетание малой энергетич. ширины состояний компаунд-ядра
и большой плотности уровней с противоположной чётностью у этого компаунд-ядра,
обеспечивающей на 2-3 порядка большее смешивание компонент с разной чётностью,
чем у низко лежащих состояний ядер. В результате ряд эффектов: асимметрия испускания
g-квантов относительно спина захватываемого поляризов. H. в реакции (n,
g), асимметрия вылета заряж. частиц при распаде компаунд-состояний в реакции
(n, р) или асимметрия вылета лёгкого (или тяжёлого) осколка деления в реакции
(n, f
). Асимметрии имеют величину 10 -4 -10 -3 при
энергии тепловых H. В р
-волновых нейтронных резонансах реализуется дополнит.
усиление, связанное с подавленностью вероятности образования сохраняющей чётность
компоненты этого компаунд-состояния (из-за малой нейтронной ширины р
-резонанса)
по отношению к примесной компоненте с противоположной четностью, являющейся
s
-резонан-сом. Именно сочетание неск. факторов усиления позволяет крайне
слабому эффекту проявляться с величиной, характерной для ядерного взаимодействия.
Взаимодействия с нарушением барионного числа
. Теоретич. модели великого объединения
и суперобъединения
предсказывают
нестабильность барионов - их распад в лептоны и мезоны. Эти распады могут быть
заметны только для легчайших барионов - p и п, входящих в состав атомных ядер.
Для взаимодействия с изменением барионного числа на 1, DB
= 1, можно
было бы ожидать превращения H. типа: n
е + p - ,
или превращения
с испусканием странных мезонов. Поиски такого рода процессов производились в
экспериментах с применением подземных детекторов с массой в неск. тысяч тонн.
На основании этих экспериментов можно сделать заключение, что время распада
H. с нарушением барионного числа составляет более 10 32 лет.
Др. возможный тип взаимодействия с DВ
= 2 может привести к явлению взаимопревращения H. и антинейтронов
в вакууме,
т. е. к осцилляции
. В отсутствие внеш. полей или при их малой величине состояния H. и антинейтрона
вырождены, поскольку массы их одинаковы, поэтому даже сверхслабое взаимодействие
может их перемешивать. Критерием малости внеш. полей является малость энергии
взаимодействия магн. момента H. с магн. полем (n и n ~ имеют противоположные
по знаку магн. моменты) по сравнению с энергией, определяемой временем T
наблюдения H. (согласно соотношению неопределённостей), D
<=hT
-1 . При наблюдении рождения антинейтронов в
пучке H. от реактора или др. источника T
есть время пролёта H. до детектора.
Число антинейтронов в пучке растёт с ростом времени пролёта квадратично: /N
n ~
~
(T
/t осц) 2 ,
где t осц
- время осцилляции.
Прямые эксперименты по наблюдению рождения и
в пучках холодных H. от высокопоточного реактора дают ограничение t осц
> 10 7 с. В готовящихся экспериментах можно ожидать увеличения
чувствительности до уровня t осц
~ 10 9 с. Ограничивающими обстоятельствами являются макс. интенсивность
пучков H. и имитация явлений антинейтронов в детекторе космич. лучами.
Др. метод наблюдения осцилляции
- наблюдение аннигиляции антинейтронов, к-рые могут образовываться в стабильных
ядрах. При этом из-за большого отличия энергий взаимодействий возникающего антинейтрона
в ядре от энергии связи H. эфф. время наблюдения становится ~ 10 -22
с, но большое число наблюдаемых ядер (~10 32) частично компенсирует
уменьшение чувствительности по сравнению с экспериментом на пучках H. Из данных
подземных экспериментов по поиску распада протона об отсутствии событий с энерговыделением
~2 ГэВ можно заключить с нек-рой неопределённостью, зависящей от незнания точного
вида взаимодействия антинейтрона внутри ядра, что t осц
> (1-3) . 10 7 с. Существ. повышение предела t осц
в этих экспериментах затруднено фоном, обусловленным взаимодействием космич.
нейтрино с ядрами в подземных детекторах.
Следует отметить, что поиски распада нуклона
с DB
=
1 и поиски -осцилляции
являются независимыми экспериментами, т. к. вызываются принципиально разл. видами
взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие H
. Нейтрон
- одна из немногих элементарных частиц, падение к-рой в гравитац. поле Земли
можно наблюдать экспериментально. Прямое измерение
для H. выполнено с точностью 0,3% и не отличается от макроскопического. Актуальным
остаётся вопрос о соблюдении эквивалентности принципа
(равенства инертной
и гравитац. масс) для H. и протонов.
Самые точные эксперименты выполнены методом Эт-веша
для тел, имеющих разные ср. значения отношения A/Z
, где А
- ат.
номер, Z
- заряд ядер (в ед. элементарного заряда е)
. Из этих
опытов следует одинаковость ускорения свободного падения для H. и протонов на
уровне 2·10 -9 , а равенство гравитац. и инертной масс на уровне ~10 -12 .
Гравитац. ускорение и замедление широко используются
в опытах с ультрахолодными H. Применение гравитац. рефрактометра для холодных
и ультрахолодных H. позволяет с большой точностью измерить длины когерентного
рассеяния H. на веществе.
H. в космологии и астрофизике
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 нек-рая
часть H., не успевших распасться, захватывается протонами с образованием 4 He.
Соотношение водорода и 4 He при этом составляет по массе 70% к 30%.
При формировании звёзд и их эволюции происходит дальнейший нуклеосинтез
, вплоть до ядер железа. Образование более тяжёлых ядер происходит в результате
взрывов сверхновых с рождением нейтронных звёзд, создающих возможность последоват.
захвата H. нуклидами. При этом комбинация т. н. s
-процесса - медленного
захвата H. с b-распадом
между последовательными захватами и r
-процесса - быстрого последоват.
захвата при взрывах звёзд в осн. может объяснить наблюдаемую распространённость
элементов
в космич. объектах.
В первичной компоненте космич. лучей H. из-за
своей нестабильности вероятно отсутствуют. H., образующиеся у поверхности Земли,
диффундирующие в космич. пространство и распадающиеся там, по-видимому, вносят
вклад в формирование электронной и протонной компоненты радиационных поясов
Земли.
Лит.:
Гуревич И. С., Тарасов Л. В., Физика
нейтронов низких энергий, M., 1965; Александров Ю. А.,. Фундаментальные свойства
нейтрона, 2 изд., M., 1982.
Cтраница 1
Заряд нейтрона равен нулю. Следовательно, нейтроны не играют роли в величине заряда ядра атома. Этой же величине равен и порядковый номер хрома.
Заряд протона qp e Заряд нейтрона равен нулю.
Легко увидеть, что при этом заряд нейтрона равен нулю, а протона 1, как и полагается. Получаются все барионы, входящие в два семейства - восьмерку и десятку. Мезоны состоят из кварка и антикварка. Чертой обозначаются антикварки; их электрический заряд отличается знаком от заряда соответствующего кварка. В пи-мезон странный кварк не входит, пи-мезоны, как мы уже говорили, - частицы со странностью и спином, равными нулю.
Так как заряд протона равен заряду электрона и заряд нейтрона равен пулю, то если выключить сильный взаимодействия, взаимодействие протона с электромагнитным полем А будет обычным взаимодействием дираковской частицы - Yp / V У нейтрона же электромагнитное взаимодействие отсутствовало бы.
Обозначения: 67 - разность зарядов электрона и протона; q - заряд нейтрона; qg - абсолютная величина заряда электрона.
Ядро состоит из заряженных положительно элементарных частиц - протонов и не несущих заряда нейтронов.
В основу современных представлений о строении материи положено утверждение о существовании атомов вещества, состоящих из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов, образующих положительно заряженное ядро, и отрицательно заряженных вращающихся вокруг ядра электронов. Энергетические уровни электронов, согласно этой теории, носят дискретный характер, а потеря или приобретение ими некоторой дополнительной энергии рассматривается как переход с одного разрешенного энергетического уровня на другой. При этом дискретный характер энергетических электронных уровней становится причиной такого же дискретного поглощения или излучения электроном энергии при переходе с одного энергетического уровня на другой.
Мы принимали, что заряд атома или молекулы полностью определяется скалярной суммой q Z (q Nqn, где Z - число пар электрон - протон, (q qp - qe - разность зарядов электрона и протона, Л - число нейтронов, a qn - заряд нейтрона.
Заряд ядра определяется только числом протонов Z, а его массовое число А совпадает с полным числом протонов и нейтронов. Поскольку заряд нейтрона равен нулю, электрическое взаимодействие по закону Кулона между двумя нейтронами, а также между протоном и нейтроном отсутствует. В то же время между двумя протонами действует электрическая сила отталкивания.
Далее, в пределах точности измерений, ни разу не был зарегистрирован ни один процесс столкновения, при котором не соблюдался бы закон сохранения заряда. Например, неотклоняемость нейтронов в однородных электрических полях позволяет рассматривать заряд нейтрона как равный нулю с точностью до 1 (Н7 заряда электрона.
Мы уже говорили, что отличие магнитного момента протона от одного ядерного магнетона является удивительным результатом. Еще более удивительным (Представляется существование магнитного момента у не имеющего заряда нейтрона.
Легко убедиться в том, что эти силы не сводятся ни к одному из типов сил, рассмотренных в предыдущих частях курса физики. В самом деле, если предположить, например, что между нуклонами в ядрах действуют гравитационные силы, то легко подсчитать по известным массам протона и нейтрона, что энергия связи на одну частицу окажется ничтожной - она будет в 1036 раз меньше той, которая наблюдается экспериментально. Отпадает также и предположение об электрическом характере ядерных сил. Действительно, в этом случае невозможно представить себе устойчивого ядра, состоящего из одного заряженного протона и не имеющего заряда нейтрона.
Прочная связь, существующая между нуклонами в ядре, свидетельствует о наличии в атомных ядрах особых, так называемых ядерных сил. Легко убедиться в том, что эти силы не сводятся ни к одному из типов сил, рассмотренных в предыдущих частях курса физики. В самом деле, если предположить, например, что между нуклонами в ядрах действуют гравитационные силы, то легко подсчитать по известным массам протона и нейтрона, что энергия связи на одну частицу окажется ничтожной - она будет в 1038 раз меньше той, которая наблюдается экспериментально. Отпадает также и предположение об электрическом характере ядерных сил. Действительно, в этом случае невозможно представить себе устойчивого ядра, состоящего из одного заряженного протона и не имеющего заряда нейтрона.
НЕЙТРОН
Neutron
Нейтрон
– нейтральная
частица, относящаяся к классу барионов. Вместе с протоном нейтрон образует
атомные ядра. Масса нейтрона m n = 938.57 МэВ/с 2
≈ 1.675·10 -24 г. Нейтрон, как и протон, имеет спин 1/2ћ
и является фермионом.. Он имеет и магнитный момент μ n =
- 1.91μ N , где μ N = е ћ /2m р с
– ядерный магнетон (m р – масса протона, использована Гауссова
система единиц). Размер нейтрона около 10 -13 см. Он состоит из
трёх кварков: одного u-кварка и двух d-кварков, т.е. его кварковая структура
udd.
Нейтрон, являясь барионом, имеет барионное число В = +1. Нейтрон
нестабилен в свободном состоянии. Так как он несколько тяжелее протона (на
0.14%), то он испытывает распад с образованием протона в конечном состоянии.
При этом закон сохранения барионного числа не нарушается, так как барионное
число протона также +1. В результате этого распада образуется также электрон
е - и электронное антинейтрино
e .
Распад происходит за счёт слабого взаимодействия.
Схема распада n → р + е - +
e .
Время жизни свободного нейтрона τ n ≈ 890
сек. В составе атомного ядра нейтрон может быть столь же стабилен, как и
протон.
Нейтрон, будучи адроном, участвует в сильном взаимодействии.
Нейтрон был открыт в 1932 г.
Дж. Чедвиком .