Основные свойства нейтронов

В начале 1930 г. было установлено, что при бомбардировке a-частицами бериллия (входной канал реакции (4.6.9)) возникает сильно проникающее излучение, которому, если предположить что это γ-излучение, следовало приписать энергию Е_γ ≈ 50 МэВ по экспериментально измеренной кинетической энергии протонов отдачи и ослаблению излучения в свинце. Такую большую энергию нельзя было согласовать с энергетическим балансом реакции. Чеддвик (1932 г.) поставил опыты, которые позволили объяснить свойства загадочного излучения, предположив, что оно представляет собой поток нейтральных частиц с массой покоя, примерно равной массе протона (см. ниже). Открытая Чедвиком частица уже имела свое название - нейтрон. Предположение о существовании в составе ядра нейтрона допускалось Резерфордом задолго до опытов Чедвика и еще в 1920 г. в своей бейкеровской лекции им были описаны основные свойства нейтрона. Тогда же им было предложено и его название.

Электрический заряд нейтрона с огромной точностью (~ 10^‑20 е) равен нулю. Несмотря на это, нейтрон имеет магнитный момент μ = -1,91 ядерного магнетона Бора, что свидетельствует о его внутренней структуре (см. §1.9 п.8). Из-за отсутствия электрического заряда нейтроны не участвуют в кулоновском взаимодействии ни с атомными электронами, ни с ядрами. А так как размеры ядер ~ в 10^-4 раз меньше размеров атомов, то столкновения нейтронов с ядрами происходит значительно реже, чем заряженных частиц с атомами, и пути нейтронов между двумя последовательными столкновениями с ядрами составляют в конденсированных средах 1 – 10 см.

Захват же нейтронов ядрами по причинам, изложенным в §4.2, также маловероятен, и столкновения нейтронов с ядрами сопровождаются рассеянием, а не их поглощением. Поэтому потоки нейтронов принадлежат к сильно проникающему излучению.

Спин нейтрона, так же как и протона, оказался равным 1/2.

В отличие от протона, имеющего электрический заряд, масса m_n нейтрона, из-за его электрической нейтральности, не может быть измерена с помощью масс-спектрометров.

Первое определение массы m_n нейтрона было сделано Чедвиком. Схема опыта такова. Нейтроны, образующиеся в реакции (4.6.9), направлялись в ионизационную камеру, которая поочередно наполнялась водородом и азотом. Измерялась максимальная кинетическая энергия ядер отдачи, которая соответствует лобовому столкновению нейтронов с ядрами водорода или с ядрами азота в рабочем объеме ионизационной камеры. Законы сохранения энергии и импульса для упругого рассеяния при лобовых столкновениях нейтрона с неподвижным в ЛСК ядром отдачи, ведущих к передаче максимальной кинетической энергии, записываются следующим образом:

где m_n, v и v’- масса нейтрона и его скорости до и после столкновения; Mи V – масса ядра отдачи и его скорость после столкновения. Отсюда:

Так как в обоих опытах первоначальная скорость v нейтронов до соударения оставалась одной и той же, то

Учитывая связь скорости ядра отдачи с его кинетической энергией

V = ,

(4.9.4)

из последних двух уравнений получим, что

(1 + M(1H)/mn)/(1 + M(14N)/mn) = = .

(4.9.5)

Единственной неизвестной величиной в (4.9.5), которую следует определить, является масса нейтрона m_n. Этот метод позволил установить лишь то, что масса нейтрона примерно равна массе протона.

Чедвик впервые использовал и другой, более точный метод измерения массы нейтрона, основанный на анализе энергетического баланса ядерных реакций с участием нейтрона. Все последующие работы по определению массы нейтрона основывались именно на этом принципе.

Наиболее высокая точность определения массы нейтрона получена при анализе реакции образования дейтона

и обратной ей реакции ²H(γ, n)¹H фоторасщепления дейтона.

Если протон неподвижен, то закон сохранения энергии для реакции (4.9.6):

,

(4.9.7)

а из закона сохранения импульса следует, что

.

(4.9.8)

При Т_n » 0 (используется тепловые нейтроны) из (4.9.7) и (4.9.8) получим, что

.

(4.9.9)

Массы дейтона и протона m_d и m_p известны с большой точностью, а энергия E_g измеряется современными гамма спектрометрическими методами.

Наиболее точное значение массы нейтрона в настоящее время (1988 г.):

m_n = 939,56563±(28) МэВ.

В скобках указана погрешность в двух последних цифрах.

Как уже было отмечено, нейтрон является b-активной частицей с периодом полураспада 10,25 мин (τ = 887,6 ± 5 с, 1989 г.). Поэтому в свободном состоянии нейтроны в природе практически отсутствуют, если не считать небольшого количества нейтронов, рождающихся постоянно под действием космических лучей.