Нейтро́н (от лат. neuter — ни тот, ни другой) — тяжёлая элементарная частица , не имеющая электрического заряда . Нейтрон является фермионом и принадлежит к группе барионов . Нейтроны и протоны являются двумя главными компонентами атомных ядер ; 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 массу . 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 .

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 neutral и обычного для частиц суффикса on (он). В том же 1932 году Д. Д. Иваненко и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Основные характеристики

• Масса (примерно на 0,1378 % больше, чем масса протона ; приведены рекомендованные значения CODATA 2018 года, в скобках указана погрешность величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение ):
  • 939,565 420 52(54) МэВ ;
  • 1,008 664 915 95(49) а. е. м. ;
  • 1,674 927 498 04(95)⋅10 ⁻²⁷ кг ;
  • 1838,683 661 73(89) массы электрона .
• Электрический заряд : 0. Экспериментально измеренное значение совместимо с нулём: (−0,2 ± 0,8)⋅10 ⁻²¹ элементарного электрического заряда .
• Спин : 1 ⁄ 2 ( фермион ). Спин свободного нейтрона измеряется методом когерентного отражения от магнитных зеркал .
• Время жизни в свободном состоянии: τ = 878,4 ± 0,5 секунды ( период полураспада T _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 ⁻²⁷ Дж / Тл . Магнитный момент нейтрона измеряется с помощью резонансного метода молекулярных пучков .
• Внутренняя чётность : равна 1 .
• Средний квадрат : ${\displaystyle \langle r^{2}\rangle =\int \rho (r)r^{2}d^{3}r}$ ≈ −0,1155(17) фм ² (формально отрицательный знак обусловлен тем, что распределение отрицательного заряда в нейтроне смещено к периферии частицы, положительного — к центру) .
• Электрическая поляризуемость : 1,18(11)⋅10 ⁻³ фм ³
• Магнитная поляризуемость : 0,37(12)⋅10 ⁻³ фм ³ .

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:

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

Строение и распад

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, 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 иногда гамма-квант ). 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 15 минутам , 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 1,293 332 36(46) МэВ (или 0,001 388 449 33(49) а.е.м. ), 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 ⁻ -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 исследована Р. Хофштадтером путём изучения столкновений пучка электронов высоких энергий ( 2 ГэВ ) с нейтронами, входящими в состав дейтрона (Нобелевская премия по физике 1961 г.) . Нейтрон состоит из тяжёлой сердцевины (керна) радиусом ≈ 0,25·10 ⁻¹³ см , с высокой плотностью массы и заряда, которая имеет общий заряд ≈ +0,35 e , и окружающей его относительно разреженной оболочки («мезонной шубы»). На расстоянии от ≈ 0,25·10 ⁻¹³ до ≈ 1,4·10 ⁻¹³ см эта оболочка состоит в основном из виртуальных ρ - и π -мезонов и обладает общим зарядом ≈ −0,50 e . Дальше расстояния ≈ 2,5·10 ⁻¹³ см от центра простирается оболочка из виртуальных ω - и π -мезонов, несущих суммарный заряд около +0,15 e .

Иные свойства

Изоспины нейтрона и протона одинаковы ( 1 ⁄ 2 ), но их проекции противоположны по знаку. нейтрона 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 с Λ-, Σ-, Ξ -барионами входят в состав октета барионов со спином 1 ⁄ 2 и барионным зарядом 1 .

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 .

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

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.
• изучение свойств сильно нейтроно-избыточных лёгких ядер.

Прикладные исследования:

• получение и хранение ;
• 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 в физике конденсированных сред ;
• ;
• нейтронно-активационный анализ .

Примечания

Литература

• Dubbers D., Schmidt M. G. (англ.) // Rev. Mod. Phys. . — 2011. — Vol. 83. — P. 1111–1171. — doi : .
• 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. (рус.) // УФН . — 1975. — Т. 116 , № 5 . — С. 145—164 . — doi : .
• Ерозолимский Б. Г. (рус.) // УФН. — 1977. — Т. 123 , № 12 . — С. 692—693 . — doi : .

Ссылки

• (англ.). In: Workman R. L. et al. (Particle Data Group) , Prog. Theor. Exp. Phys. 2022, 083C01 (2022) and 2023 update.