Нейтрон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:Информация о частице

Шаблон:Не путать Нейтро́н (от лат. Шаблон:Langi — ни тот, ни другой) — тяжёлая элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. Нейтроны и протоны являются двумя главными компонентами атомных ядер[1]; общее название для протонов и нейтронов — нуклоны.

Открытие

Открытие нейтрона (27 февраля 1932) принадлежит физику Джеймсу Чедвику, который объяснил результаты опытов В. Боте и Г. Беккера (1930), в которых обнаружилось, что вылетающие при распаде полония α-частицы, воздействуя на лёгкие элементы, приводят к возникновению сильно проникающего излучения. Чедвик первый предположил, что новое проникающее излучение состоит из нейтронов, и определил их массуШаблон:Sfn[2]. За это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

В 1930 году В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко показали, что атом не может, как считалось в то время, состоять только из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы[3][4].

В 1930 году Вальтер Боте и его студент Герберт Беккер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 году английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и провёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня Шаблон:Langi и обычного для частиц суффикса Шаблон:Langi (он). В том же 1932 году Д. Д. Иваненко[5] и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Основные характеристики

Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном. Нейтрон аннигилирует с антинейтроном и другими антиадронами (в частности, с антипротоном).

С нейтроном связаны несколько физических величин, имеющих размерность длины:

Строение и распад

Файл:Neutron quark structure.svg
Кварковая структура нейтрона

Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Близость значений масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.

Поскольку нейтрон тяжелее протона (на Шаблон:Nobr[17], или Шаблон:Nobr[18]), то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант[19]). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни, приблизительно равное Шаблон:Nobr, это примерно в миллиард раз больше времени жизни мюона — следующей за нейтроном метастабильной частицы по времени жизни.

Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном, составляющая около Шаблон:Nobr, невелика по меркам ядерной физики. Вследствие этого в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным. Более того, в нейтроно-дефицитных ядрах происходит бета-распад протона в нейтрон (с захватом орбитального электрона или вылетом позитрона); этот процесс энергетически запрещён для свободного протона.

На кварковом уровне бета-распад нейтрона может быть описан как превращение одного из d-кварков в u-кварк с испусканием виртуального [[W-бозон|Шаблон:Math-бозона]], который немедленно распадается на электрон и электронное антинейтрино.

Изучение распада свободного нейтрона важно для уточнения свойств слабого взаимодействия, а также поиска нарушений временно́й инвариантности, нейтрон-антинейтронных осцилляций Шаблон:Итп

Внутренняя структура нейтрона впервые была экспериментально исследована Р. Хофштадтером путём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий (Шаблон:Nobr) с нейтронами, входящими в состав дейтрона (Нобелевская премия по физике 1961 г.)[20]. Нейтрон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом Шаблон:Nobr, с высокой плотностью массы и заряда, которая имеет общий заряд Шаблон:Nobr, и окружающей его относительно разреженной оболочки («мезонной шубы»). На расстоянии от Шаблон:Nobr до Шаблон:Nobr эта оболочка состоит в основном из виртуальных [[ро-мезон|Шаблон:Math-]] и [[пи-мезон|Шаблон:Math]]-мезонов и обладает общим зарядом Шаблон:Nobr. Дальше расстояния Шаблон:Nobr от центра простирается оболочка из виртуальных [[омега-мезон|Шаблон:Math-]] и [[пи-мезон|Шаблон:Math]]-мезонов, несущих суммарный заряд около Шаблон:Nobr[21][16].

Иные свойства

Изоспины нейтрона и протона одинаковы (12), но их проекции противоположны по знаку. Проекция изоспина нейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной −12, в ядерной физике +12 (поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).

Нейтрон и протон вместе с <math>\Lambda, \Sigma, \Xi</math> — барионами входят в состав октета барионов со спином <math>\tfrac{1}{2}</math> и барионным зарядом <math>1</math>Шаблон:Sfn.

Нейтрон — единственная из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой непосредственно наблюдалось гравитационное взаимодействие — искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка ультрахолодных нейтронов. Измеренное гравитационное ускорение нейтронов в пределах точности эксперимента совпадает с гравитационным ускорением макроскопических тел[22].

При огромном давлении внутри нейтронной звезды нейтроны могут деформироваться вплоть до того, что приобретают форму куба[23].

Направления исследований в физике нейтронов

Фундаментальные исследования:

  • возможность существования тетранейтронов и иных связанных состояний из одних только нейтронов
  • поиск возможных нейтрон-антинейтронных осцилляций
  • поиск электрического дипольного момента нейтрона. Электрический дипольный момент нейтрона был бы точно равен нулю, если бы имела место инвариантность всех взаимодействий, в которых участвует нейтрон, относительно операции отражения времени. Слабые взаимодействия неинвариантны относительно операции отражения времени. Вследствие этого нейтрон должен был бы обладать электрическим дипольным моментом. Причина отсутствия электрического дипольного момента у нейтрона неизвестна.Шаблон:Sfn
  • изучение свойств сильно нейтроно-избыточных лёгких ядер

Прикладные исследования:

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:Родственный проект

Шаблон:Внешние ссылки

Шаблон:Частицы

  1. Нейтроны содержатся во всех известных атомных ядрах, кроме ядра лёгкого изотопа водорода — протия, состоящего из одного протона.
  2. Шаблон:Статья
  3. Шаблон:Статья
  4. Шаблон:Статья
  5. Шаблон:Статья
  6. 2018 CODATA Recommended Values: neutron mass energy equivalent in MeV.
  7. 2018 CODATA Recommended Values: neutron mass in u.
  8. 2018 CODATA Recommended Values: neutron mass.
  9. 2018 CODATA Recommended Values: neutron-electron mass ratio.
  10. 10,0 10,1 10,2 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Particle data group не указан текст
  11. 11,0 11,1 Бете Г., Моррисон Ф. Элементарная теория ядра. — М: ИЛ, 1956. — С. 50.
  12. Шаблон:Cite web
  13. Мухин К. Экзотическая ядерная физика для любознательных // Наука и жизнь. — 2017. — № 5. — С. 104.
  14. 2018 CODATA Recommended Values: neutron magnetic moment to nuclear magneton ratio.
  15. 2018 CODATA Recommended Values: neutron magnetic moment.
  16. 16,0 16,1 Жданов Г. Б. Упругие рассеяния, периферические взаимодействия и резононы // Частицы высоких энергий. Высокие энергии в космосе и лаборатории. — М.: Наука, 1965. — С. 132.
  17. 2018 CODATA Recommended Values: neutron-proton mass difference energy equivalent in MeV.
  18. 2018 CODATA Recommended Values: neutron-proton mass difference in u.
  19. Экспериментально установлено, что радиативный бета-распад (то есть распад с излучением электрона, электронного антинейтрино и дополнительно гамма-кванта) происходит в 0,309 % случаев от всех распадов нейтрона. Бета-распад нейтрона в связанное состояние, то есть с захватом излучаемого электрона на орбиту вокруг образовавшегося протона, предсказан теоретически, но пока не был обнаружен; установлено лишь, что такой процесс происходит менее чем в 3 % случаев. См. Бета-распад нейтрона.
  20. Хофштадтер P. Структура ядер и нуклонов // УФН. — 1963. — Т. 81, № 1. — С. 185—200.
  21. Щёлкин К. И. Виртуальные процессы и строение нуклона // Физика микромира. — М.: Атомиздат, 1965. — С. 75.
  22. «ФИЗИКА» Большой энциклопедический словарь, Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», М., 1998, с. 453.
  23. Шаблон:Cite arXiv