НЕЙТРО́ННАЯ О́ПТИКА
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
НЕЙТРО́ННАЯ О́ПТИКА, раздел нейтронной физики, в котором изучаются волновые свойства нейтрона и явления, возникающие при взаимодействии нейтронных пучков с веществом и полями. К этим явлениям относятся, в частности, преломление и отражение нейтронных пучков на границе раздела двух сред, дифракция и интерференция нейтронных волн.
Н. о. возникла вскоре после открытия нейтрона (1932). В 1936 амер. физики Д. Митчелл и П. Пауэрс уверенно наблюдали дифракцию нейтронов на монокристалле. Значит. вклад в развитие Н. о. был сделан Э. Ферми и его школой. В частности, именно Ферми впервые ввёл понятие показателя преломления $n$ для описания взаимодействия нейтронов с конденсиров. средами.
Нейтрон может проявлять себя как частица с энергией $ℰ$, скоростью $v$ и импульсом $p$ или как волна с длиной, определяемой формулой де Бройля: $λ=2πℏ/p$ (см. Волны де Бройля), где $ℏ$ – постоянная Планка. Волновые свойства отчётливо проявляются у нейтронов низких энергий (медленных нейтронов), длина волны которых порядка или больше межатомных расстояний в веществе (ок. 10–10 м). Б. ч. явлений Н. о. имеет аналогию с оптич. явлениями. Электромагнитные волны описываются Максвелла уравнениями, а нейтронная волна (нейтронная волновая функция) подчиняется Шрёдингера уравнению. Рассеяние нейтронов обусловлено гл. обр. сильным взаимодействием нейтронов с атомными ядрами, рассеяние световых волн – электромагнитным взаимодействием фотонов с электронными оболочками атомов. В обоих случаях падающая на вещество волна порождает вторичные волны, когерентное сложение которых определяет преломлённые и отражённые волны. Длина волны $λ_1$ в среде отличается от длины волны $λ$ в вакууме, а отношение $λ/λ_1=n$ называют показателем преломления. Неупругое рассеяние нейтронов можно сопоставить с комбинационным рассеянием света. Поляризационные явления в H. о. существенно отличаются от оптических, т. к. связаны с наличием у нейтрона спина (см. Поляризованные нейтроны).
Поскольку нейтрон, в отличие от фотона, обладает массой покоя, из соотношения де Бройля следует, что при попадании нейтрона в среду меняется не только длина волны, но также скорость нейтрона и его кинетич. энергия. Изменение последней равно потенциалу взаимодействия нейтрона с веществом: $U=(2πℏ^2/m)Nb$. Тогда $n^2= 1-U/ℰ = 1-v^2_0/v^2$, где $v_0=2ℏ\sqrt{\pi Nb}/m,\; b$ – когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами среды, $N$ – число ядер в единице объёма среды, $m$ – масса нейтрона. Величину $v_0$ называют граничной скоростью вещества. Для большинства веществ $b>0$, а $v_0$ порядка нескольких метров в секунду. Следовательно, при попадании в среду нейтрон совершает работу $(U>0)$.
Нейтроны со скоростью $v< v_0$ и энергией $ℰ< U$ (ультрахолодные нейтроны) не могут преодолеть силы отталкивания среды и полностью отражаются от её поверхности (т. е. коэф. отражения равен 1). Полное внутр. отражение возможно также для холодных и тепловых нейтронов в том случае, когда нормальная к отражающей поверхности компонента скорости нейтрона $v_z⩽v_0$, а угол скольжения меньше критич. угла. В действительности коэф. отражения нейтронов всегда несколько меньше единицы, т. к. ядра не только рассеивают нейтроны, но и поглощают их. Существуют и др. процессы, ведущие к ослаблению нейтронной волны; роль этих процессов учитывают введением комплексной длины рассеяния (комплексными величинами оказываются также $U$ и $n^2$).
Наличие у нейтрона магнитного момента приводит к его взаимодействию с магнитным полем и магнитными моментами атомов, что порождает т. н. магнитное рассеяние нейтронов, не имеющее аналога в оптике. Влияние постоянного магнитного поля учитывается в выражении для показателя преломления следующим образом: $n^2= 1-v^2_0 /v^2± 2μB/mv^2$, где $μ$ – магнитный момент нейтрона, $B$ – магнитная индукция, знаки «$±$» относятся к двум возможным ориентациям магнитного момента нейтрона относительно вектора $\boldsymbol B$. Такая двузначность показателя преломления используется в устройствах, предназначенных для получения пучков поляризованных нейтронов и определения степени их поляризации.
Способность нейтронов отражаться от зеркал используют для транспортировки нейтронов от источников к эксперим. установкам с помощью нейтроноводов. Помимо зеркал полного отражения широкое распространение имеют т. н. суперзеркала (многослойные, в т. ч. поляризующие), отражающие нейтроны при углах скольжения, значительно превосходящих критические. Дифракция нейтронов применяется в нейтронографии для исследования субмикроскопич. свойств вещества. Принципы Н. о. реализуются в ряде физич. устройств: в поляризаторах и анализаторах нейтронов, монохроматорах, преломляющих призмах, устройствах, позволяющих фокусировать нейтронные пучки (в т. ч. в магнитных линзах). Измерение коэф. отражения нейтронов от плоских образцов при $v_z>v_0$ лежит в основе метода нейтронной рефлектометрии, применяемого для исследования подповерхностной структуры вещества. Особенности пространственно-временнóй эволюции спина нейтрона и спиновой прецессии положены в основу метода нейтронного спинового эха, широко применяемого в совр. нейтронографии. Примером квантового нейтронно-оптич. устройства является нейтронный интерферометр (см. Нейтронная интерферометрия). Методами Н. о. исследуют также некоторые нестационарные квантовые явления, для описания которых необходимо использовать временнóе уравнение Шрёдингера.