Нейтрон

Не следует путать снейрономинейтрино.

Нейтрон($n,n^{0}$)
Кварковая структура нейтрона
Семья	фермион
Группа	адрон,барион,N-барион,нуклон
Участвует вовзаимодействиях	Сильное,слабое,электромагнитноеигравитационное
Античастица	антинейтрон$({\bar {n}},{\bar {n}}^{0})$
Масса	939,565 420 52(54)МэВ,1,674 927 498 04(95)⋅10−27кг,1,008 664 915 95(49)а. е. м.
Время жизни	878,4 ± 0,5 c
Теоретически обоснована	В 1930 годуВ. А. АмбарцумяниД. Д. Иваненко;в 1930 годуВальтер Ботеи его студент Герберт Беккер, работавшие вГермании
Обнаружена	27 февраля1932,Джеймс Чедвик
В честь кого или чего названа	От лат.корняneutralи обычного для частицсуффиксаon(он)
Квантовые числа
Электрический заряд	0 (экспериментально:(−0,2 ± 0,8)⋅10−21e)
Барионное число	1
Спин	1/2ħ
Электрический дипольный момент	0 (экспериментально:< 1,8⋅10−26см·e)
Электрическая поляризуемость	1,18(11)⋅10−3фм3
Зарядовый радиус	0,3399(25) фм
Магнитный момент	−1,913 042 73(45)ядерного магнетона,или−9,662 365 1(23)×10−27Дж/Тл
Магнитная поляризуемость	0,37(12)⋅10−3фм3
Внутренняя чётность	1
Изотопический спин	−1/2
Странность	0
Очарование	0
Другие свойства
Кварковыйсостав	udd
Схема распада	$p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$(99,08(7)%); $p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}+\gamma$(0,92(7) %)
Медиафайлы на Викискладе

Нейтро́н(отлат.neuter— ни тот, ни другой) — тяжёлаяэлементарная частица,не имеющаяэлектрического заряда.Нейтрон являетсяфермиономи принадлежит к группебарионов.Нейтроны ипротоныявляются двумя главными компонентамиатомных ядер;общее название для протонов и нейтронов —нуклоны.

Открытие

Открытие нейтрона (27 февраля1932) принадлежит физикуДжеймсу Чедвику,который объяснил результаты опытов В. Боте и Г. Беккера (1930), в которых обнаружилось, что вылетающие при распадеполонияα-частицы,воздействуя на лёгкие элементы, приводят к возникновению сильно проникающего излучения. Чедвик первый предположил, что новое проникающее излучение состоит из нейтронов, и определил их массу.За это открытие он получилНобелевскую премию по физикев1935 году.

В 1930 годуВ. А. АмбарцумяниД. Д. Иваненкопоказали, что атом не может, как считалось в то время, состоять только из протонов иэлектронов,что электроны, вылетающие из ядра прибета-распаде,рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы.

В1930 годуВальтер Ботеи его студент Герберт Беккер, работавшие вГермании,обнаружили, что если высокоэнергетичныеальфа-частицы,испускаемыеполонием-210,попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности набериллийилилитий,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 результатыэкспериментане могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в1932 годуИрениФредерик Жолио-Кюри.Они показали, что если это неизвестное излучение попадает напарафинили любое другое соединение, богатоеводородом,образуютсяпротонывысоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 году английский физикДжеймс Чедвикпровёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучеваягипотезанесостоятельна. 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 латинскогокорняneutralи обычного для частицсуффиксаon(он). В том же 1932 годуД. Д. Иваненкои затемВ. Гейзенбергпредположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Основные характеристики

• Масса(примерно на 0,1378 % больше, чем массапротона;приведены рекомендованные значенияCODATA2018 года, в скобках указанапогрешностьвеличины в единицах последней значимой цифры, одностандартное отклонение):
  • 939,565 420 52(54) МэВ;
  • 1,008 664 915 95(49)а. е. м.;
  • 1,674 927 498 04(95)⋅10⁻²⁷кг;
  • 1838,683 661 73(89) массыэлектрона.
• Электрический заряд:0. Экспериментально измеренное значение совместимо с нулём: (−0,2 ± 0,8)⋅10⁻²¹элементарного электрического заряда.
• Спин:1⁄2(фермион). Спин свободного нейтрона измеряется методом когерентного отражения от магнитных зеркал.
• Время жизнив свободном состоянии:τ= 878,4 ± 0,5 секунды(период полураспадаT_1/2= τ·ln 2= 608,9 ± 0,3 секунды).
• Магнитный момент:−1,913 042 73(45)ядерного магнетона,или−9,662 365 1(23)×10⁻²⁷Дж/Тл.Магнитный момент нейтрона измеряется с помощью резонансного метода молекулярных пучков.
• Внутренняя чётность:равна 1.
• Средний квадратзарядового радиуса:$\langle r^{2}\rangle =\int \rho (r)r^{2}d^{3}r$≈ −0,1155(17)фм²(формально отрицательный знак обусловлен тем, что распределение отрицательного заряда в нейтроне смещено к периферии частицы, положительного — к центру).
• Электрическая поляризуемость:1,18(11)⋅10⁻³фм³
• Магнитная поляризуемость:0,37(12)⋅10⁻³фм³.

Несмотря на нулевойэлектрический заряд,нейтрон не являетсяистинно нейтральной частицей.Античастицейнейтрона являетсяантинейтрон,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:

• комптоновская длина волнынейтрона$\lambda _{K}={\frac {2\pi \hbar }{mc}}$≈ 1,32⋅10⁻¹³см;
• среднеквадратичныйзарядовый радиуснейтрона:${\sqrt {\left|\langle r^{2}\rangle \right|}}={\sqrt {\left|\int \rho (r)r^{2}d^{3}r\right|}}$≈ 0,3399(25)⋅10⁻¹³см;
• среднеквадратичныймагнитный радиуснейтрона:${\sqrt {\langle r_{M}^{2}\rangle }}$≈ 0,864+0,009
  −0,008⋅10⁻¹³см.
• кубический корень из электрической поляризуемости нейтрона:$(\alpha _{n})^{1/3}$≈ 0,106(3)⋅10⁻¹³см.
• кубический корень из магнитной поляризуемости нейтрона:$(\beta _{n})^{1/3}$≈ 0,072(9)⋅10⁻¹³см.
• отношениеэлектрического дипольного моментанейтрона кэлементарному заряду$\left|{\frac {d_{n}}{e}}\right|$< 1,8⋅10⁻²⁶см;
• гравитационный радиуснейтрона$R_{G}={\frac {2Gm}{c^{2}}}$≈ 2,48⋅10⁻⁵²см.

Строение и распад

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

Поскольку нейтрон тяжелее протона, то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, являетсябета-распад нейтронанапротон,электрони электронноеантинейтрино(а также иногдагамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованиемлептонови изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счётслабого 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: еговремя жизни,приблизительно равное15 минутам,это примерно в миллиард раз больше времени жизнимюона— следующей за нейтроном метастабильной частицы по времени жизни.

Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном, составляющая1,293 332 36(46) МэВ(или0,001 388 449 33(49) а.е.м.), невелика по меркамядерной физики.Вследствие этого в ядрах нейтрон может находиться в более глубокойпотенциальной 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 (сзахватом орбитального электронаиливылетом 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 виртуальногоW⁻-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 и т. п.

Внутренняя структура нейтрона впервые была экспериментально исследованаР. Хофштадтеромпутём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий (2 ГэВ) с нейтронами, входящими в составдейтрона(Нобелевская премия по физике 1961 г.).Нейтрон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом≈ 0,25·10⁻¹³см,с высокой плотностью массы и заряда, которая имеет общий заряд≈ +0,35e,и окружающей его относительно разреженной оболочки («мезонной шубы»). На расстоянии от≈ 0,25·10⁻¹³до≈ 1,4·10⁻¹³смэта оболочка состоит в основном из виртуальныхρ-иπ-мезонов и обладает общим зарядом≈ −0,50e.Дальше расстояния≈ 2,5·10⁻¹³смот центра простирается оболочка из виртуальныхω-иπ-мезонов, несущих суммарный заряд около+0,15e.

Иные свойства

Изоспинынейтрона и протона одинаковы (1⁄2), но их проекции противоположны по знаку.Проекция изоспинанейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной −1⁄2,в ядерной физике +1⁄2(поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).

Нейтрон и протон вместе сΛ-, Σ-, Ξ-барионами входят в состав октета барионов со спином1⁄2и барионным зарядом 1.

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

При огромном давлении внутринейтронной звездынейтроны могут деформироваться вплоть до того, что приобретают форму куба.

Направления исследований в физике нейтронов

Фундаментальные исследования:

• возможность существованиятетранейтронови иных связанных состояний из одних только нейтронов;
• поиск возможныхнейтрон-антинейтронных осцилляций;
• поискэлектрического дипольного моментанейтрона. 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.
• изучение свойств сильно нейтроно-избыточных лёгких ядер.

Прикладные исследования:

• получение и хранениехолодных нейтронов;
• влияние потоков нейтронов на живые ткани и организмы;
• влияние сверхмощных потоков нейтронов на свойства материалов;
• изучение распространения нейтронов в различных средах;
• изучение различных типов структуры вфизике конденсированных сред;
• нейтронно-дифракционный анализ;
• нейтронно-активационный анализ.

Литература

• Dubbers D., Schmidt M. G.The neutron and its role in cosmology and particle physics(англ.)//Rev. Mod. Phys..— 2011. — Vol. 83. — P. 1111–1171. —doi:10.1103/RevModPhys.83.1111.
• Широков Ю. М.,Юдин Н. П.Ядерная физика. —М.:Наука, 1972. — 670 с.
• Физика микромира: маленькая энциклопедия / Гл. ред.Ширков Д. В.—М.:Советская энциклопедия,1980. — 528 с.
• Корсунский М.И.Нейтрон. — М., Л.:ОНТИ,1935. — 224 с.
• Ерозолимский Б. Г.Бета-распад нейтрона(рус.)//УФН.— 1975. —Т. 116,№ 5.—С. 145—164.—doi:10.3367/UFNr.0116.197505e.0145.
• Ерозолимский Б. Г.Бета-распад нейтрона(рус.)// УФН. — 1977. —Т. 123,№ 12.—С. 692—693.—doi:10.3367/UFNr.0123.197712l.0692.

Ссылки

• Neutron properties(англ.). In:Workman R. L. et al. (Particle Data Group),Prog. Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022) and 2023 update.
• CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants (2018).