Лекция №11
Нейтронная физика
1
Нейтрон
В1919 г. Резерфорд осуществил искусственное расщепление ядер азота альфа- частицами. Потом бомбардировке α-частицами подверглись другие элементы. Реакция (α,p) наблюдалась почти на всех элементах. Среди исключений – Be и Li, где протоны не детектировались.
В1930 г. Боте и Беккер обнаружили излучение, очень слабо поглощаемое свинцом, однако регистрируемое с помощью счетчика Гейгера-Мюллера. Γ- излучение должно быть слишком жёстким.
Чедвик предположил, что излучение состоит из частиц с отличной от нуля массой покоя и с зарядом либо очень маленьким, либо нулевым. Поэтому частицу эту назвали нейтроном. Чедвик поставил опыты по измерению массы нейтрона:
mn = 1,0067 а.е.м. = 939,55 МэВ.
Сразу после открытия нейтрона Д.Иваненкои В.Гейзенберг независимо друг от друга выдвинули гипотезу, что атомное ядро состоит из нейтронов и протонов.
Нобелевская премия по физике 1935 г. – Дж.Чедвик За открытие нейтрона
James Chadwick (1891-1974)
2
Нейтрон
Нейтрон не имеет электрического заряда, что делает его уникальной частицей среди других элементарных частиц.
Нейтрон имеет спин 1/2, что означает, что он может находиться в двух различных спиновых состояниях.
Нейтрон является нестабильной частицей и распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино с периодом полураспада около 10 минут.
Нейтрон участвует в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но не участвует в слабом взаимодействии.
Нейтрон играет ключевую роль в ядерных реакциях, таких как деление ядер и синтез легких элементов.
3
Нейтроны в науке…
«Лаборатория» для фундаментальных исследований
Характеристики нейтрона известны с высокой точностью. Его масса близка к массе протона, он электрически нейтрален, однако, благодаря пространственному распределению заряда, он обладает магнитным моментом
n → p+ e- + ν, Qβ=mnс2 −mpс2 − meс2 =0.78 МэВ
Нейтрон распадается в результате бета-распада, его время жизни τn=879.4±0.6c
Точное экспериментальное определение его времени жизни имеет важное значение и для изучения формирования звезд, и для изучения взаимодействия кварков.
Масса нейтрона
mn = 1,0067 а.е.м. = 939,55 МэВ
Спин нейтрона. Sn = ½
Магнитный момент.
μn = -(1,91304275 ± 0,00000045)μБ
4
Время жизни нейтрона
Нейтрон ‒ единственная нестабильная частица, обладающая макроскопическим средним временем жизни τ = 879.4 ± 0.6 с (почти 15 мин). Может показаться, что измерение такого большого времени жизни гораздо проще, чем для других нестабильных частиц, живущих максимум микросекунды. Однако относительная ошибка измерения времени жизни мюона (τ ≈ 2∙10-6 с) составляет по порядку величины сотые доли процента, короткоживущего нейтрального каона K0 (τ ≈ 9∙10‒11 с) ‒ менее одной сотой процента, в то время как для нейтрона ‒ десятые доли.
Трудности измерения времени жизни нейтрона связаны как раз с тем, что время его жизни ‒ макроскопическое, в то время как скорости свободных нейтронов характерны для микромира. Даже холодный нейтрон с кинетической энергией 0.01 эВ обладает скоростью около 5000 км/час, т.е. за среднее время жизни он мог бы (если бы не захватывался ядрами воздуха) успеть совершить путешествие из Петербурга в Москву и легко исчезнуть из поля зрения экспериментатора.
5
Время жизни нейтрона
В 1950 году осуществлён первый эксперимент по определению времени жизни нейтрона, давший результат равный = 1110 ± 220 с
Исторически, первым, хотя и не самым простым методом было измерение ВЖН на нейтронном пучке. Основной экспериментальной трудностью в регистрации бета-частиц от распада нейтронов в пучке, полученном прямо из реактора, является высокий уровень фона из электронов и гамма лучей, которые всегда присутствуют по соседству с таким пучком. Один возможный метод, позволяющий избежать этого фона — отразить тепловые нейтроны из пучка посредством нейтронного зеркала, а второй способ — отфильтровать гамма лучи поглотителем и удалить электроны сильным магнитным полем.
Принципиальная схема механического монохроматизатора |
6 |
|
Время жизни нейтрона
Изменение точности измерений со временем: существенный прогресс наблюдается с 70-х годов когда началось соревнование пучковых и хранительных методов. К 2005 году все наиболее точные результаты находились в согласии. 7
Время жизни нейтрона
Измерение при помощи магнитной ловушки - = 877.7 ± 0.7 + 0.3⁄−0.1 с Измерение в материальной ловушке - = 881.5 ± 0.7 ± 0.6 с ( = 903 ± 13 с) Измерение на пучке- = 887.7 ± 2.3 с
8
Время жизни нейтрона
9
Время жизни нейтрона
Было проведено большое число все более точных хранительных экспериментов. В итоге, в 2013 году PDG сдвинуло среднемировое значение сразу на несколько ошибок. При этом группа, измеряющая время жизни пучковым методом, уменьшила ошибку и сдвинула свое значение вверх. В результате на 10 сегодняшний день результаты пучковых и хранительных экспериментов расходятся на 9 секунд.