НЕЙТРО́ННАЯ ФИ́ЗИКА

НЕЙТРО́ННАЯ ФИ́ЗИКА, раз­дел фи­зи­ки, в ко­то­ром изу­ча­ют­ся струк­ту­ра ве­ще­ст­ва и фун­дам. свой­ст­ва ма­те­рии с ис­поль­зо­ва­ни­ем ней­тро­нов, а так­же ис­сле­ду­ют­ся свой­ст­ва са­мих ней­тро­нов.

История развития

Н. ф. воз­ник­ла в 1932, ко­гда Дж. Чед­вик до­ка­зал су­ще­ст­во­ва­ние но­вой ней­траль­ной эле­мен­тар­ной час­ти­цы, на­зван­ной ней­тро­ном. Уточ­не­ние мас­сы ней­тро­на по­ка­за­ло, что ней­трон дей­ст­ви­тель­но яв­ля­ет­ся ней­траль­ной эле­мен­тар­ной час­ти­цей, а не свя­зан­ным со­стоя­ни­ем про­то­на и элек­тро­на, как счи­та­лось ра­нее. Тем са­мым бы­ло раз­ру­ше­но пред­став­ле­ние о том, что за­ряд есть не­отъ­ем­ле­мое свой­ст­во эле­мен­тар­ных час­тиц.

В 1932 Д. Д. Ива­нен­ко (СССР), Дж. Чед­вик и В. Гей­зен­берг вы­ска­за­ли ги­по­те­зу о том, что атом­ные яд­ра со­сто­ят из ней­тро­нов и про­то­нов. Гей­зен­берг пред­по­ло­жил, что про­тон и ней­трон – раз­ные со­стоя­ния од­ной час­ти­цы (ну­кло­на), и ввёл для этой час­ти­цы но­вую ха­рак­те­ри­сти­ку – изо­то­пи­че­ский спин, две про­ек­ции ко­то­ро­го со­от­вет­ст­ву­ют про­то­ну и ней­тро­ну. В силь­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях про­тон и ней­трон не­раз­ли­чи­мы. Обоб­ще­ние идеи та­кой изо­то­пи­че­ской ин­ва­ри­ант­но­сти ле­жит в ос­но­ве совр. стан­дарт­ной мо­де­ли строе­ния эле­мен­тар­ных час­тиц и их взаи­мо­дей­ст­вий.

Пер­вую по­пыт­ку опи­са­ния силь­но­го взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду ну­кло­на­ми в яд­ре пред­при­ня­ли И. Е. Тамм и, не­за­ви­си­мо от не­го, Д. Д. Ива­нен­ко в 1934. Они по­строи­ли тео­рию, со­глас­но ко­то­рой ну­кло­ны взаи­мо­дей­ст­ву­ют пу­тём об­ме­на час­ти­ца­ми ко­неч­ной мас­сы. Опи­ра­ясь на их ра­бо­ты, Х. Юка­ва в 1935 пред­ска­зал су­ще­ст­во­ва­ние и свой­ст­ва но­вой час­ти­цы (ме­зо­на), от­вет­ст­вен­ной за силь­ные взаи­мо­дей­ст­вия. В 1947 та­кие час­ти­цы ($π$-ме­зо­ны) бы­ли об­на­ру­же­ны в кос­мич. лу­чах.

В 1934 рос. фи­зи­ки С. А. Альт­шу­лер и И. Е. Тамм, ана­ли­зи­руя ве­ли­чи­ны маг­нит­ных мо­мен­тов ядер, при­шли к вы­во­ду, что ней­трон, бу­ду­чи элек­три­че­ски ней­траль­ной час­ти­цей, тем не ме­нее об­ла­да­ет маг­нит­ным мо­мен­том. В том же го­ду нем. фи­зи­ки О. Штерн и И. Эс­тер­ман не­за­ви­си­мо при­шли к ана­ло­гич­но­му вы­во­ду, из­ме­рив маг­нит­ные мо­мен­ты дей­тро­на и про­то­на. Ока­за­лось так­же, что маг­нит­ный мо­мент про­то­на вдвое боль­ше, чем пред­ска­зы­ва­ла тео­рия. Ре­зуль­та­том этих ис­сле­до­ва­ний ста­ло пред­по­ло­же­ние о том, что ней­трон и про­тон не «эле­мен­тар­ны». Ны­не ус­та­нов­ле­но, что они со­сто­ят из квар­ков.

В 1934 Э. Фер­ми вы­пол­нил пер­вые экс­пе­рим. ра­бо­ты, по­свя­щён­ные взаи­мо­дей­ст­вию ней­тро­нов с ве­ще­ст­вом. В ча­ст­но­сти, он по­ка­зал, что ней­тро­ны, в си­лу их элек­трич. ней­траль­но­сти, яв­ля­ют­ся наи­бо­лее эф­фек­тив­ным сред­ст­вом по­лу­че­ния ра­дио­ак­тив­ных эле­мен­тов, в т. ч. транс­ура­но­вых. Кро­ме то­го, груп­пой под рук. Фер­ми бы­ло от­кры­то за­мед­ле­ние ней­тро­нов, а в 1936 – их се­лек­тив­ное по­гло­ще­ние разл. нук­ли­да­ми. Эти ра­бо­ты по­ло­жи­ли на­ча­ло ре­гу­ляр­ным ис­сле­до­ва­ни­ям по ней­трон­ной фи­зи­ке.

В 1936 амер. фи­зи­ки Д. Мит­челл и П. Пау­эрс уве­рен­но на­блю­да­ли ди­фрак­цию ней­тро­нов. Даль­ней­шее раз­ви­тие этих ис­сле­до­ва­ний при­ве­ло к воз­ник­но­ве­нию ней­трон­ной оп­ти­ки, соз­да­нию но­вых мощ­ных ме­то­дов ис­сле­до­ва­ния строе­ния яд­ра, атом­ной и маг­нит­ной струк­тур ве­ще­ст­ва, а так­же его маг­нитной и атом­ной ди­на­ми­ки. В 1939 О. Ган и Ф. Штрасс­ман, Л. Майт­нер и О. Фриш от­кры­ли де­ле­ние ядер под воз­дей­ст­ви­ем ней­тро­нов. Важ­ность это­го от­кры­тия бы­ла оце­не­на, ко­гда ста­ла по­нят­ной воз­мож­ность осу­ще­ст­в­ле­ния ядер­ной цеп­ной ре­ак­ции с уча­сти­ем ней­тро­нов.

В СССР в кон. 1938 И. В. Кур­ча­тов ини­ции­ро­вал ис­сле­до­ва­ния по Н. ф., в ре­зуль­та­те ко­то­рых его со­труд­ни­ки Г. Н. Флё­ров и Л. И. Ру­си­нов, не­за­ви­симо от за­ру­беж­ных ис­сле­до­ва­те­лей, об­на­ру­жи­ли ис­пус­ка­ние ней­тро­нов при де­ле­нии ядер ура­на. В 1939 Э. Фер­ми и Кур­ча­тов не­за­ви­си­мо при­шли к вы­во­ду о воз­мож­но­сти осу­ще­ст­в­ле­ния ядер­ной цеп­ной ре­ак­ции при пре­вы­ше­нии чис­ла вновь об­ра­зую­щих­ся ней­тро­нов над чис­лом по­гло­щён­ных. В 1942 в США Фер­ми соз­дал пер­вый ядер­ный ре­ак­тор, в ко­то­ром осу­ще­ст­в­ля­лась управ­ляе­мая цеп­ная ре­ак­ция. Так­же в 1940-х гг. бы­ли по­строе­ны пер­вые ис­сле­до­ват. ядер­ные ре­ак­то­ры, в ко­то­рых уда­лось по­лу­чить ин­тен­сив­ные пуч­ки ней­тро­нов; это да­ло су­ще­ст­вен­ный тол­чок раз­ви­тию ней­трон­ной фи­зи­ки.

В 1948 амер. учё­ные Э. Уол­лан (Вол­лан), К. Шалл и М. Мар­ни, ис­поль­зуя пу­чок ней­тро­нов от ядер­но­го ре­ак­то­ра, по­лу­чи­ли пер­вую лауэ­грам­му, за­ре­ги­ст­ри­ро­вав­шую ди­фрак­цию ней­тро­нов на мо­но­кри­стал­ле NaCl. В том же го­ду Уол­лан и Шалл соз­да­ли пер­вый двух­ос­ный ди­фрак­то­метр для на­блю­де­ния ди­фрак­ции ней­тро­нов на по­ли­кри­стал­лах, что по­ло­жи­ло на­ча­ло но­вым ней­трон-ди­фрак­ци­он­ным ме­то­дам ис­сле­до­ва­ния атом­ной и маг­нит­ной струк­тур ве­ще­ст­ва. В 1948–1951 А. Снелл и Л. Мил­лер (США), Дж. Роб­сон (Ка­на­да) и П. Е. Спи­вак (СССР) не­за­ви­си­мо от­кры­ли бе­та-рас­пад ней­тро­на (хо­тя пер­вые пред­по­ло­же­ния об этом рас­па­де бы­ли вы­ска­за­ны ещё в 1934 Ф. Жо­лио-Кю­ри, см. в ст. Жо­лио-Кю­ри). В 1952 Б. Брок­ха­уз с со­труд­ни­ка­ми соз­да­ли пер­вый в ми­ре трёх­ос­ный ней­трон­ный спек­тро­метр, на ко­то­ром впер­вые на­блю­да­ли не­уп­ру­гое рас­сея­ние ней­тро­нов в ва­на­дии, лёг­кой и тя­жё­лой во­де, а так­же в па­ра­маг­не­ти­ках (с воз­бу­ж­де­ни­ем ко­ле­ба­ний ато­мов и их спи­нов в ве­ще­ст­ве).

В СССР в сер. 1950-х гг. на­ча­лось ак­тив­ное строи­тель­ст­во пуч­ко­вых ис­сле­до­ват. ядер­ных ре­ак­то­ров для по­лу­че­ния ин­тен­сив­ных пуч­ков ней­тро­нов. В 1959 Я. Б. Зель­до­вич вы­ска­зал пред­по­ло­же­ние о воз­мож­но­сти удер­жа­ния ней­тро­нов ма­лых энер­гий (ульт­ра­хо­лод­ных ней­тро­нов) внут­ри со­су­дов (напр., из ме­ди, бе­рил­лия), стен­ки ко­то­рых обес­пе­чи­ва­ют пол­ное внутр. (зер­каль­ное) от­ра­же­ние ней­тро­нов, а так­же о воз­мож­но­сти ис­поль­зо­ва­ния по­доб­ных со­су­дов для из­ме­ре­ния вре­ме­ни жиз­ни сво­бод­но­го ней­тро­на. Это пред­по­ло­же­ние бы­ло экс­пе­ри­мен­таль­но до­ка­за­но в 1968.

В 1960 В. В. Вла­ди­мир­ский раз­ра­бо­тал маг­нит­ные «зер­ка­ла», а так­же маг­нит­ные «бу­тыл­ки» для хра­не­ния ульт­ра­хо­лод­ных ней­тро­нов. Та­кая «бу­тыл­ка» из по­сто­ян­ных маг­ни­тов бы­ла впер­вые соз­да­на в Пе­тер­бург­ском ин­сти­ту­те ядер­ной фи­зи­ки (ПИЯФ) в 2005. Ны­не по­доб­ные «со­су­ды» при­ме­ня­ют­ся для из­ме­ре­ния вре­ме­ни жиз­ни ней­тро­на. Так, в 2011 в ПИЯФ бы­ло по­лу­че­но но­вое сред­не­ми­ро­вое зна­че­ние вре­ме­ни жиз­ни ней­тро­на. Этот ре­зуль­тат уст­ра­нил рас­хо­ж­де­ние экс­пе­рим. дан­ных со стан­дарт­ной мо­де­лью, а так­же по­зво­лил уточ­нить на­ши пред­став­ле­ния о Все­лен­ной, при­бли­зив тео­ре­тич. пред­ска­за­ния к на­блю­да­тель­ным ас­тро­но­мич. дан­ным.

На нач. 21 в. ра­бо­ты по Н. ф. скон­цен­три­ро­ва­ны в круп­ней­ших ми­ро­вых на­уч. цен­трах, где раз­ме­ще­ны ин­тен­сив­ные ней­трон­ные ис­точ­ни­ки. Ми­ро­вым ли­де­ром ней­трон­ных ис­сле­до­ва­ний яв­ля­ет­ся Меж­ду­нар. ин-т Ла­уэ – Лан­же­ве­на (Гре­нобль, Фран­ция), в ко­то­ром функ­цио­ни­ру­ет вы­со­ко­по­точ­ный ис­сле­до­ват. ре­ак­тор, ос­на­щён­ный совр. ин­ст­ру­мен­та­ми для про­ве­де­ния фун­дам. и при­клад­ных ис­сле­до­ва­ний. В Рос­сии круп­ны­ми цен­тра­ми, ве­ду­щи­ми ис­сле­до­ва­ния по Н. ф., яв­ля­ют­ся ПИЯФ, Объ­е­ди­нён­ный ин­сти­тут ядер­ных ис­сле­до­ва­ний, Кур­ча­тов­ский ин­сти­тут и др. В ПИЯФ построен вы­со­ко­по­точ­ный ре­ак­тор, по сво­им рас­чёт­ным па­ра­мет­рам не ус­ту­паю­щий ре­ак­то­ру в Гре­ноб­ле, а по не­ко­то­рым ха­рак­те­ри­сти­кам и пре­вос­хо­дя­щий его. В 2011 со­сто­ял­ся фи­зич. пуск ре­ак­то­ра на ми­ним. мощ­но­сти.

Изучение фундаментальных свойств нейтрона

Эта об­ласть Н. ф. да­ёт ключ к по­ни­ма­нию струк­ту­ры эле­мен­тар­ных час­тиц, ме­ха­низ­ма их взаи­мо­дей­ст­вия, а так­же про­цес­сов, про­ис­хо­дя­щих в мас­шта­бах Все­лен­ной.

Од­ним из наи­бо­лее пре­ци­зи­он­ных экс­пе­ри­мен­тов в Н. ф. яв­ля­ет­ся по­иск и из­ме­ре­ние элек­трич. ди­поль­но­го мо­мен­та (ЭДМ) ней­тро­на. Дан­ные о том, что ве­ли­чи­на ЭДМ ней­тро­на не пре­вы­ша­ет $3·10^{–28}\:e\!·м$ (где $e$ – эле­мен­тар­ный элек­трич. за­ряд), по­зво­ли­ли от­верг­нуть ряд тео­рий, объ­яс­няю­щих на­ру­ше­ние $CP$-сим­мет­рии. Та­кая ве­ли­чи­на ЭДМ со­от­вет­ст­ву­ет двум эле­мен­тар­ным за­ря­дам про­ти­во­по­лож­но­го зна­ка, сме­щён­ным от­носи­тель­но друг дру­га на рас­стоя­ние $D= 3·10^{–28}$ м, т. е. ес­ли ней­трон пред­ста­вить в ви­де ша­ра ра­диу­сом $R≈10^{–15}$ м, то $D/R≈ 3·10^{–13}$. По­доб­ная точ­ность со­от­вет­ст­ву­ет оп­ре­де­ле­нию, напр., ра­диу­са Зем­ли с точ­но­стью до 2 мкм. По­лу­че­ние всё бо­лее точ­ной верх­ней оцен­ки ве­ли­чи­ны ЭДМ ис­клю­чи­тель­но важ­но для про­вер­ки но­вых тео­рий, объ­е­ди­няю­щих фун­дам. фи­зич. взаи­мо­дей­ст­вия (т. н. тео­рий Ве­ли­ко­го объ­е­ди­не­ния и су­пер­сим­мет­рии), а так­же для по­ни­ма­ния ба­ри­он­ной асим­мет­рии Все­лен­ной.

По­иск ней­трон-ан­ти­ней­трон­ных ос­цил­ля­ций (пе­рио­дич. пре­вра­ще­ния ней­тро­на в ан­ти­ней­трон и об­рат­но) так­же ва­жен для про­вер­ки тео­рий, объ­яс­няю­щих ба­ри­он­ную асим­мет­рию Все­лен­ной. В этих тео­ри­ях, как по­ка­зал А. Д. Са­ха­ров, долж­на на­ру­шать­ся не толь­ко $CP$-сим­мет­рия, но и за­кон со­хра­не­ния ба­ри­он­но­го за­ря­да, что, в свою оче­редь, при­во­дит к воз­мож­но­сти про­цес­сов рас­па­да про­то­на и пре­вра­ще­ния ней­тро­на в ан­ти­ней­трон.

По­след­нее из­ме­ре­ние вре­ме­ни жиз­ни сво­бод­но­го ней­тро­на и кор­ре­ля­ци­он­ных кон­стант его $β$-рас­па­да по­зво­ли­ло под­твер­дить стан­дарт­ную мо­дель (со­от­но­ше­ние уни­тар­но­сти), уточ­нить ве­ли­чи­ну ба­ри­он­ной асим­мет­рии Все­лен­ной и рас­про­стра­нён­ность в при­ро­де лёг­ких хи­мич. эле­мен­тов (дей­те­рия, ге­лия, ли­тия и др.), об­ра­зо­вав­ших­ся в про­цес­се пер­вич­но­го нук­лео­син­те­за.

Ве­дёт­ся так­же по­иск элек­трич. за­ря­да ней­тро­на и ис­сле­до­ва­ние его гра­ви­тац. свойств. От­ли­чие за­ря­да ней­тро­на от ну­ля мог­ло бы сви­де­тель­ст­во­вать в поль­зу су­пер­сим­мет­рич­ной струн тео­рии. По ре­зуль­та­там из­ме­ре­ний ус­та­нов­ле­но, что за­ряд ней­тро­на мо­жет быть от­ли­чен от ну­ля не ме­нее чем в 21 зна­ке (в еди­ни­цах эле­мен­тар­но­го за­ря­да).

Нейтроны в ядерной физике

Бы­ст­рые ней­тро­ны мо­гут ис­пы­ты­вать не­уп­ру­гое рас­сея­ние на яд­рах, от­да­вая часть сво­ей энер­гии на воз­бу­ж­де­ние яд­ра и вы­зы­вая ядер­ные ре­ак­ции с ис­пус­ка­ни­ем ней­тро­нов, про­то­нов и $α$-час­тиц. Ис­сле­до­ва­ние ней­трон­ных спек­тров по­зво­ля­ет оп­ре­де­лить ве­ли­чи­ну и свой­ст­ва взаи­мо­дей­ст­вия ме­ж­ду со­став­ляю­щи­ми яд­ро ну­кло­на­ми.

Мед­лен­ные ней­тро­ны мо­гут уп­ру­го рас­сеи­вать­ся на яд­рах и так­же вы­зы­вать ядер­ные ре­ак­ции. К та­ким ре­ак­ци­ям от­но­сит­ся за­хват ней­тро­на ядром, со­про­во­ж­даю­щий­ся вы­ле­том из яд­ра од­но­го или не­сколь­ких $γ$-кван­тов. Имен­но в та­ких ре­ак­ци­ях бы­ло об­на­ру­же­но на­ру­ше­ние чёт­но­сти в силь­ных взаи­мо­дей­ст­ви­ях. Этот ре­зуль­тат был пер­вым сви­де­тель­ст­вом в поль­зу уни­вер­саль­но­сти сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий.

Не­ко­то­рые ре­ак­ции за­хва­та ней­тро­на ядром ис­поль­зу­ют­ся для за­щи­ты от ней­трон­но­го из­лу­че­ния, для ре­ги­ст­ра­ции ней­тро­нов в ней­трон­ных де­тек­то­рах, а так­же, напр., для пром. по­лу­че­ния три­тия. Ис­сле­до­ва­ние де­ле­ния тя­жё­лых ядер ($\ce{U, Th, Pu}$ и др.) под дей­ст­ви­ем мед­лен­ных ней­тро­нов по­зво­ля­ет изу­чить ди­на­ми­ку де­ле­ния, глуб­же по­нять строе­ние тя­жё­лых ядер и влия­ние сла­бых взаи­мо­дей­ст­вий на про­цесс де­ле­ния.

Нейтроны в физике конденсированного состояния вещества

Уни­каль­ные свой­ст­ва ней­трон­но­го из­лу­че­ния (элек­тро­ней­траль­ность, на­ли­чие маг­нит­но­го мо­мен­та и др.) де­ла­ют его уни­вер­саль­ным ин­ст­ру­мен­том для ис­сле­до­ва­ния кон­ден­си­ров. сред. По­это­му ме­то­ды Н. ф. на­хо­дят при­ме­не­ние в фи­зи­ке, хи­мии, био­ло­гии, гео­ло­гии, ма­те­риа­ло­ве­де­нии, ме­ди­ци­не, фар­ма­цев­ти­ке, пром-сти, энер­ге­ти­ке и др. от­рас­лях.

Взаи­мо­дей­ст­вуя с ве­ще­ст­вом, ней­тро­ны мо­гут ис­пы­ты­вать уп­ру­гое и не­уп­ру­гое рас­сея­ние. Для изу­че­ния свойств ве­ще­ст­ва ме­то­да­ми не­уп­ру­го­го рас­сея­ния ней­тро­нов при­ме­ня­ют ней­трон­ные спек­тро­мет­ры (см. в ст. Ней­трон­ная спек­тро­ско­пия). По­сколь­ку энер­гия те­п­ло­вых ней­тро­нов име­ет тот же по­ря­док, что и энер­гия эле­мен­тар­ных воз­бу­ж­дений в ве­ще­ст­ве, ве­ли­чи­на из­ме­не­ния энер­гии ней­тро­на при не­уп­ру­гом рас­сея­нии со­дер­жит ин­фор­ма­цию о ди­на­ми­ке и взаи­мо­дей­ст­вии ато­мов сре­ды, ко­ле­ба­ни­ях мо­ле­кул и маг­нит­ных мо­мен­тов, ре­шё­точ­ных и маг­нит­ных мо­дах, кри­тич. флук­туа­ци­ях и т. д.

Ко­ге­рент­ное уп­ру­гое рас­сея­ние ней­тро­нов на ато­мах кри­стал­лич. ре­шёт­ки при­во­дит к ди­фрак­ции ней­тро­нов, ана­лиз ко­то­рой по­зво­ля­ет с вы­со­кой точ­ностью оп­ре­де­лять по­ло­же­ния ато­мов в кри­стал­лах. На ус­та­нов­ках ма­ло­уг­лово­го рас­сея­ния ней­тро­нов ис­сле­ду­ют био­ло­гич. струк­ту­ры и на­но­ст­рук­ту­ры с ли­ней­ны­ми раз­ме­ра­ми рас­сеи­ваю­щих объ­ек­тов 10^–9–10^–6 м. В ка­че­ст­ве та­ких ус­та­но­вок мо­гут ис­поль­зо­вать­ся так­же реф­лек­то­мет­ры и ней­трон­ные ин­тер­фе­ро­мет­ры (см. в ст. Ней­трон­ная ин­тер­фе­ро­мет­рия). Ней­тро­ны (в от­ли­чие от ви­ди­мо­го и рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ний) взаи­мо­дей­ст­ву­ют с атом­ны­ми яд­ра­ми, а не с элек­трон­ны­ми обо­лоч­ка­ми ато­мов, что по­зво­ля­ет с вы­со­кой точ­но­стью раз­ли­чать нук­ли­ды, близ­ко рас­по­ло­жен­ные в пе­рио­дич. сис­те­ме хи­мич. эле­мен­тов. Осо­бен­но это от­но­сит­ся к лёг­ким эле­мен­там ($\ce{H,O}$ и др.), по­ло­же­ние ко­то­рых в струк­ту­ре час­то оп­ре­де­ля­ет свой­ст­ва ма­те­риа­ла. Иден­ти­фи­ка­ция этих эле­мен­тов в ве­ще­ст­вах, со­дер­жа­щих тя­жё­лые эле­мен­ты, при по­мо­щи рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния и гам­ма-из­лу­че­ния поч­ти не­воз­мож­на. Ме­то­дам Н. ф. дос­туп­но изу­че­ние да­же изо­топ­но­го со­ста­ва ве­ще­ст­ва, а так­же маг­нит­ных струк­тур и спи­но­вой ди­на­ми­ки.