V =
,
(4.9.4)
|
|
Основные свойства нейтронов
В начале 1930 г. было установлено, что при бомбардировке a-частицами бериллия (входной канал реакции (4.6.9)) возникает сильно проникающее излучение, которому, если предположить что это γ-излучение, следовало приписать энергию Еγ ≈ 50 МэВ по экспериментально измеренной кинетической энергии протонов отдачи и ослаблению излучения в свинце. Такую большую энергию нельзя было согласовать с энергетическим балансом реакции. Чеддвик (1932 г.) поставил опыты, которые позволили хорошо объяснить свойства загадочного излучения, предположив, что оно представляет собой поток нейтральных частиц с массой покоя, примерно равной массе протона (см. ниже). Открытая Чедвиком частица уже имела свое название - нейтрон. Предположение о существовании в составе ядра нейтрона допускалось Резерфордом задолго до опытов Чедвика и еще в 1920 г. в своей бейкеровской лекции им были описаны основные свойства нейтрона. Тогда же им было предложено и его название.
Электрический заряд нейтрона с огромной точностью (~ 10‑20е) равен нулю. Несмотря на это, нейтрон имеет магнитный момент μ = -1,91 ядерного магнетона Бора, что свидетельствует о его внутренней структуре (см. §1.9 п.8). Из-за отсутствия электрического заряда нейтроны не участвуют в кулоновском взаимодействии ни с атомными электронами, ни с ядрами. А так как размеры ядер ~ в 10-4 раз меньше размеров атомов, то столкновения нейтронов с ядрами происходит значительно реже, чем заряженных частиц с атомами, и пути нейтронов между двумя последовательными столкновениями с ядрами составляют в конденсированных средах 1 – 10 см.
Захват же нейтронов ядрами по причинам, изложенным в §4.2, также маловероятен, и столкновения нейтронов с ядрами сопровождаются рассеянием, а не их поглощением. Поэтому потоки нейтронов принадлежат к сильно проникающему излучению.
Спин нейтрона, так же как и протона, оказался равным 1/2.
В отличие от протона, имеющего электрический заряд, масса mn нейтрона, из-за его электрической нейтральности, не может быть измерена с помощью масс-спектрометров.
Первое определение массы mn нейтрона было сделано Чедвиком. Схема опыта такова. Нейтроны, образующиеся в реакции (4.6.9), направлялись в ионизационную камеру, которая поочередно наполнялась водородом и азотом. Измерялась максимальная кинетическая энергия ядер отдачи, которая соответствует лобовому столкновению нейтронов с ядрами водорода или с ядрами азота в рабочем объеме ионизационной камеры. Законы сохранения энергии и импульса для упругого рассеяния при лобовых столкновениях нейтрона с неподвижным в ЛСК ядром отдачи, ведущих к передаче максимальной кинетической энергии, записываются следующим образом:
|
mnv2/2 = mn(v’) 2 /2 + MV2/2, mnv = MV - mnv’, |
(4.9.1) |
где mn, v и v’- масса нейтрона и его скорости до и после столкновения; M и V – масса ядра отдачи и его скорость после столкновения. Отсюда:
|
2v = V(1 + M/mn). |
(4.9.2) |
Так как в обоих опытах первоначальная скорость нейтронов до соударения оставалась одной и той же, то
|
V(1H)·(1 + M(1H)/mn) = V(14N)·(1 + M(14N)/mn). |
(4.9.3) |
Учитывая связь скорости ядра отдачи с его кинетической энергией
|
V = |
(4.9.4) |
из последних двух уравнений получим, что
|
(1 + M(1H)/mn)/(1 + M(14N)/mn) =
= |
(4.9.5) |
Единственной неизвестной величиной в (4.9.5), которую следует определить, является масса нейтрона mn. Этот метод позволил установить лишь то, что масса нейтрона примерно равна массе протона.
Чедвик впервые использовал и другой, более точный метод измерения массы нейтрона, основанный на анализе энергетического баланса ядерных реакций с участием нейтрона. Все последующие работы по определению массы нейтрона основывались именно на этом принципе.
Наиболее высокая точность определения массы нейтрона получена при анализе реакции образования дейтона
|
n + 1H → 2H + γ |
(4.9.6) |
и обратной ей реакции 2H(γ, n)1H фоторасщепления дейтона.
Если протон неподвижен, то закон сохранения энергии для реакции (4.9.6):
|
|
(4.9.7) |
а из закона сохранения импульса следует, что
|
|
(4.9.8) |
При Тn»0 (используется тепловые нейтроны) из (4.9.7) и (4.9.8) получим, что
|
|
(4.9.9) |
Массы дейтона и протона md и mp известны с большой точностью, а энергия Eg измеряется современными гамма-спектрометрическими методами.
Наиболее точное значение массы нейтрона в настоящее время (1988 г.):
mn = 939,56563±(28) МэВ.
В скобках указана погрешность в двух последних цифрах.
Как уже было отмечено, нейтрон является b-активной частицей с периодом полураспада 10,25 мин (τ = 887,6 ± 5 с, 1989 г.). Поэтому в свободном состоянии нейтроны в природе практически отсутствуют, если не считать небольшого количества, рождающегося под действием космических лучей.
Другие главы электронного учебника "Электротехника"
Конспекты по Теоретическим основам электротехники ТОЭ Топология электрических цепей Методы контурных токов и узловых потенциалов Основы матричных методов расчета Резонансные явления Метод эквивалентного генератора Расчет трехфазных цепей Теория поля
Расчеты цепей переменного электрического тока Линейные электрические цепи Переходные процессы Операторный метод расчета Графические методы расчета Метод кусочно-линейной аппроксимации Динамика вращательного движения твердого тела Момент силы относительно неподвижной точки
Эквивалентные преобразования схем Устройство электрической машины постоянного и переменного тока Синхронные и асинхронные двигатели Трансформаторы
Электрическая цепь и ее элементы Двухполюсные активные и пасивные элементы Мощность ЭДС Источник тока Эквивалентность источников Резистивный элемент Индуктивный элемент Емкостной элемент
Цепи синусоидального тока Действующие ток, ЭДС и напряжение Изображение синусоидальных функций времени векторами и комплексными числами Ток и напряжение при последовательном соединении резистивного, индукционого и емкостного элементов
|
;
|
.
