Атомная масса нейтрона. Структура атома: что такое нейтрон

Протон -- стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода.

Трудно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906--1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах?-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами -- глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия -- протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином называются барионами (от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, различные гипероны (?, ?, ?, ?) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число -- барионный заряд, равный 1 для барионов, - 1 -- для антибарионов и О -- для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля, он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.

В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барионного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной (~ 2*1010 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физики. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030 протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.

Нейтрон -- нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона qn равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в сильных электрических полях, показавшими, что |qn| <10-20e (здесь е -- элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2?10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным полем.

Нейтроны устойчивы лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон -- нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е-) и электронное антинейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 ?14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому они возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций.

По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина разности масс нейтрона и протона: mn-mp(1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получим массу нейтрона: mn = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствует mn ~ 1,6-10-24.Нейтрон участвует во всех видах фундаментальных взаимодействий. Сильные взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого взаимодействия -- бета-распад нейтрона.

Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнитных взаимодействиях? Нейтрон обладает внутренней структурой, и в нем при общей нейтральности существуют электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона магнитного момента. Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров его электромагнитного взаимодействия. Большой интерес приобрели поиски дипольного электрического момента нейтрона, для которого была получена верхняя граница. Здесь самые эффективные опыты удалось поставить ученым Ленинградского института ядерной физики АН СССР; поиски дипольного момента нейтронов важны для понимания механизмов нарушения инвариантности относительно обращения времени в микропроцессах.

Гравитационные взаимодействия нейтронов наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли.

Сейчас принята условная классификация нейтронов по их кинетической энергии:

медленные нейтроны (<105эВ, есть много их разновидностей),

быстрые нейтроны (105?108эВ), высокоэнергичные (> 108эВ).

Весьма интересными свойствами обладают очень медленные нейтроны(10-7эВ), которые получили название ультрахолодных. Оказалось, что ультрахолодные нейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там их спины в определенном направлении. С помощью магнитных полей специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны изолируются от поглощающих стенок и могут «жить» в ловушке, пока не распадутся. Это позволяет проводить многие тонкие эксперименты по изучению свойств нейтронов. Другой метод хранения ультрахолодных нейтронов основан на их волновых свойствах. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке». Эта идея была высказана советским физиком Я. Б. Зельдовичем в конце 1950-х гг., и первые результаты были получены в Дубне в институте ядерных исследований спустя почти десятилетие.

Недавно ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до своего естественного распада.

Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п. Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физике и физике твердого тела. Они играют важную роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом анализе и в геологической разведке.

Атомы - мельчайшие частицы вещества.
Если увеличить до размеров Земного шара яблоко средней величины, то атомы станут размером всего лишь с яблоко. Несмотря на столь малые размеры, атом состоит из еще более мелких физических частиц.
Со строением атома вы должны быть уже знакомы из школьного курса физики. И все-таки напомним, что в составе атома есть ядро и электроны, которые вращаются вокруг ядра так быстро, что становятся неразличимыми - образуют "электронное облако", или электронную оболочку атома.

Электроны принято обозначать так: e − . Электроны e − очень легкие, почти невесомые, но зато имеют отрицательный электрический заряд. Он равен −1. Электрический ток, которым все мы пользуемся - это поток электронов, бегущий в проводах.

Ядро атома , в котором сосредоточена почти вся его масса, состоит из частиц двух сортов - нейтронов и протонов.

Нейтроны обозначают так: n 0 , а протоны так: p + .
По массе нейтроны и протоны почти одинаковы - 1,675 · 10 −24 г и 1,673 · 10 −24 г.
Правда, считать массу таких маленьких частиц в граммах очень неудобно, поэтому ее выражают в углеродных единицах , каждая из которых равна 1,673 · 10 −24 г.
Для каждой частицы получают относительную атомную массу , равную частному от деления массы атома (в граммах) на массу углеродной единицы. Относительные атомные массы протона и нейтрона равны 1, а вот заряд у протонов положительный и равен +1, в то время как у нейтронов заряда нет.

. Загадки про атом

Атом можно собрать "в уме" из частиц, как игрушку или машинку из деталей детского конструктора. Надо только при этом соблюдать два важных условия.

• Первое условие : каждому виду атомов соответствует свой собственный набор "деталей" - элементарных частиц . Например, в атоме водорода обязательно будет ядро с положительным зарядом +1, значит, в нем непременно должен быть один протон (и не больше).
  В атоме водорода могут быть и нейтроны. Об этом - в следующем параграфе .
  Атом кислорода (порядковый номер в Периодической системе равен 8) будет иметь ядро, заряженное восемью положительными зарядами (+8), - значит, там восемь протонов. Поскольку масса атома кислорода равна 16 относительных единиц, чтобы получить ядро кислорода, добавим еще 8 нейтронов.
• Второе условие состоит в том, чтобы каждый атом оказался электронейтральным . Для этого в нем должно быть электронов столько, чтобы уравновесить заряд ядра. Иначе говоря, число электронов в атоме равно числу протонов в его ядре, а также порядковому номеру этого элемента в Периодической системе .

Глава первая. СВОЙСТВА СТАБИЛЬНЫХ ЯДЕР

Выше уже было сказано, что ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами. Если измерять массу ядра в атомных единицах массы, то она должна быть близка к массе протона, умноженной на целое число называемое массовым числом. Если заряд ядра а массовое число то это означает, что в состав ядра входит протонов и нейтронов. (Число нейтронов в составе ядра обозначается обычно через

Эти свойства ядра отражены в символических обозначениях, которые будут использованы в дальнейшем в виде

где X - название элемента, атому которого принадлежит ядро (например, ядра: гелия - , кислорода - , железа - урана

К числу основных характеристик стабильных ядер можно отнести: заряд, массу, радиус, механический и магнитный моменты, спектр возбужденных состояний, четность и квадрупольный момент. Радиоактивные (нестабильные) ядра дополнительно характеризуются временем жизни, типом радиоактивных превращений, энергией испускаемых частиц и рядом других специальных свойств, о которых будет сказано далее.

Прежде всего рассмотрим свойства элементарных частиц, из которых состоит ядро: протона и нейтрона.

§ 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОТОНА И НЕЙТРОНА

Масса. В единицах массы электрона: масса протона масса нейтрона .

В атомных единицах массы: масса протона масса нейтрона

В энергетических единицах масса покоя протона масса покоя нейтрона

Электрический заряд. q - параметр, характеризующий взаимодействие частицы с электрическим полем, выражается в единицах заряда электрона где

Все элементарные частицы несут количество электричества, равное либо 0, либо Заряд протона Заряд нейтрона равен нулю.

Спин. Спины протона и нейтрона равны Обе частицы являются фермионами и подчиняются статистике Ферми-Дирака, а следовательно, и принципу Паули.

Магнитный момент. Если подставить в формулу (10), определяющую магнитный момент электрона вместо массы электрона массу протона, получим

Величина называется ядерным магнитоном. Можно было предположить по аналогии с электроном, что спиновый магнитный момент протона равен Однако опыт показал, что собственный магнитный момент протона больше ядерного магнетона: по современным данным

Кроме того, оказалось, что незаряженная частица - нейтрон - также имеет магнитный момент, отличный от нуля и равный

Наличие магнитного момента у нейтрона и столь большое значение магнитного момента у протона противоречат предположениям о точечности этих частиц. Ряд экспериментальных данных, полученных в последние годы, свидетельствует о том, что и протон и нейтрон обладают сложной неоднородной структурой. В центре нейтрона при этом находится положительный заряд, а на периферии равный ему по величине распределенный в объеме частицы отрицательный заряд. Но поскольку магнитный момент определяется не только величиной обтекающего тока, но и охватываемой им площадью, то создаваемые ими магнитные моменты не будут равны. Поэтому нейтрон может обладать магнитным моментом, оставаясь в целом нейтральным.

Взаимные превращения нуклонов. Масса нейтрона больше массы протона на 0,14%, или на 2,5 массы электрона,

В свободном состоянии нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино: Среднее время жизни его близко к 17 мин.

Протон - частица стабильная. Однако внутри ядра он может превращаться в нейтрон; при этом реакция идет по схеме

Разница в массах частиц, стоящих слева и справа, компенсируется за счет энергии, сообщаемой протону другими нуклонами ядра.

Протон и нейтрон имеют одинаковые спины, почти одинаковые массы и могут превращаться друг в друга. В дальнейшем будет показано, что и ядерные силы, действующие между этими частицами попарно, тоже одинаковы. Поэтому их называют общим наименованием - нуклон и говорят, что нуклон может находиться в двух состояниях: протон и нейтрон, отличающихся своим отношением к электромагнитному полю.

Нейтроны и протоны взаимодействуют благодаря существованию ядерных сил, имеющих неэлектрическую природу. Своим происхождением ядерные силы обязаны обмену мезонами. Если изобразить зависимость потенциальной энергии взаимодействия протона и нейтрона малых энергий от расстояния между ними то приближенно она будет иметь вид графика, представленного на рис. 5, а, т. е. имеет форму потенциальной ямы.

Рис. 5. Зависимость потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между нуклонами: а - для пар нейтрон - нейтрон или нейтрон - протон; б - для пары протон - протон

Размеры и массы атомов малы. Радиус атомов составляет 10 -10 м, а радиус ядра – 10 -15 м. Масса атома определяется делением массы одного моль атомов элемента на число атомов в 1 моль (N A = 6,02·10 23 моль -1). Масса атомов изменяется в пределах 10 -27 ~ 10 -25 кг. Обычно массу атомов выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За а.е.м. принята 1/12 массы атома изотопа углерода 12 С.

Основными характеристиками атома являются заряд его ядра (Z) и массовое число (А). Число электронов в атоме равно заряду его ядра. Свойства атомов определяются зарядом их ядер, числом электронов и их состоянием в атоме.

Основные свойства и строение ядра (теория состава атомных ядер)

1. Ядра атомов всех элементов (за исключением водорода) состоят из протонов и нейтронов.

2.Число протонов в ядре определяет значение его положительного заряда (Z). Z - порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева.

3. Суммарное число протонов и нейтронов - значение его массы, так как масса атома в основном сосредоточена в ядре (99, 97% массы атома). Ядерные частицы - протоны и нейтроны - объединяются под общим названием нуклоны (от латинского слова nucleus, что означает “ядро”). Общее число нуклонов соответствует - массовому числу, т.е. округленной до целого числа его атомной массе А.

Ядра с одинаковыми Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z , называются изобарами . Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов

4. Число нейтронов в ядре N может быть найдено по разности между массовым числом (А ) и порядковым номером (Z ):

5. Размер ядра характеризуется радиусом ядра , имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Протонно-нейтронная теория позволила разрешить возникшие ранее противоречия в представлениях о составе атомных ядер и о его связи с порядковым номером и атомной массой.

Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если W св- величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, равная

называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.

Удельной энергией связи ядра w свназывается энергия связи, приходящаяся на один нуклон: w св= . Величина w свсоставляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.

Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобаров. (А = const).

Ядерные силы

1. Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы , не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).

2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5ј2,2)10-15 мназывается радиусом действия ядерных сил .

3. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость : притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов - протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах . Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра гелия тяжелого водорода трития - .

4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел (А). Практически полное насыщение ядерных сил достигается у a-частицы, которая является очень устойчивым образованием.

Радиоактивность, g -излучение, a и b - распад

1. Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер или жесткого рентгеновского излучения. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

2. Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-излучения - жесткого, коротковолнового электроволнового излучения. Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским ; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием g-фотона.

3. Альфа-распадом называется испускание ядрами некоторых химических элементов a - частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А >200 и зарядами ядер Z >82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных a-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов, т.е. образуется атом элемента, смещенного в таблице периодической системы элементов Д.И. Менделеева (ПСЭ) на две клеточки влево от исходного радиоактивного элемента с массовым числом меньшим не 4 единицы (правило Содди – Фаянса):

4. Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный (b-) и позитронный (b+) распады, а также электронный захват .

b- распад происходит преимущественно у сравнительно богатых нейтронами ядер. При этом нейтрон ядра распадается на протон, электрон и антинейтрино () с нулевым зарядом и массой.

При b- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд увеличивается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку вправо от исходного элемента, а его массовое число не изменяется (правило Содди – Фаянса):

b+- распад происходит преимущественно у относительно богатых протонами ядер. При этом протон ядра распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино ().

.

При b+- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд уменьшается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку влево от исходного элемента, а его массовое число не изменяется (правило Содди – Фаянса):

5. В случае электронного захвата превращение заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюда произошел термин ”электронный захват”. Электронный захват в отличие от b±-захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

6. b--распад происходит у естественно-радиоактивных, а также искусственно-радиоактивных ядер; b+-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности.

7. g- излучение: при возбуждении ядро атома испускает электромагнитное излучение с малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой жесткостью и проникающей способностью, чем рентгеновское излучение. В результате энергия ядра уменьшается, а массовое число и заряд ядра остаются не низменными. Поэтому превращение химического элемента в другой не наблюдается, а ядро атома переходит в менее возбужденное состояние.

НЕЙТРОН (n) (от лат. neuter - ни тот, ни другой) - элементарная частица с нулевым электрич. зарядом и массой, незначительно большей массы протона. Наряду с протоном под общим назв. нуклон входит в состав атомных ядер. H. имеет спин 1 / 2 и, следовательно, подчиняется Ферми - Дирака статистике (является фермионом). Принадлежит к семейству адра-нов; обладает барионным числом B= 1, т. е. входит в группу барионов .

Открыт в 1932 Дж. Чедвиком (J. Chadwick), показавшим, что жёсткое проникающее излучение, возникающее при бомбардировке ядер бериллия a-частицами, состоит из электрически нейтральных частиц с массой, примерно равной протонной. В 1932 Д. Д. Иваненко и В. Гей-зенберг (W. Heisenberg) выдвинули гипотезу о том, что атомные ядра состоят из протонов и H. В отличие от заряж. частиц, H. легко проникает в ядра при любой энергии и с большой вероятностью вызывает ядерные реакции захвата (n,g), (n,a), (n, p), если баланс энергии в реакции положительный. Вероятность экзотермич. увеличивается при замедлении H. обратно пропорц. его скорости. Увеличение вероятности реакций захвата H. при их замедлении в водородсодержащих средах было обнаружено Э. Ферми (E. Fermi) с сотрудниками в 1934. Способность H. вызывать деление тяжёлых ядер, открытая О. Ганом (О. Hahn) и Ф. Штрасманом (F. Strassman) в 1938 (см. Деление ядер) , послужила основой для создания ядерного оружия и . Своеобразие взаимодействия с веществом медленных H., имеющих де-бройлевскую длину волны порядка атомных расстояний (резонансные эффекты, дифракция и т. д.), служит основой широкого использования нейтронных пучков в физике твёрдого тела. (Классификацию H. по энергиям - быстрые, медленные, тепловые, холодные, ультрахолодные - см. в ст. Нейтронная физика .)

В свободном состоянии H. нестабилен - испытывает B-распад; n p + е - + v e ; его время жизни t n = = 898(14) с, граничная энергия спектра электронов 782 кэВ (см. Бета-распад нейтрона) . В связанном состоянии в составе стабильных ядер H. стабилен (по эксперим. оценкам, его время жизни превышает 10 32 лет). По астр. оценкам, 15% видимого вещества Вселенной представлено H., входящими в состав ядер 4 He. H. является осн. компонентой нейтронных звёзд . Свободные H. в природе образуются в ядерных реакциях, вызываемых a-частицами радиоактивного распада, космическими лучами и в результате спонтанного либо вынужденного деления тяжёлых ядер. Искусств. источниками H. служат ядерные реакторы, ядерные взрывы , ускорители протонов (на ср. энергии) и электронов с мишенями из тяжёлых элементов. Источниками монохроматичных пучков H. с энергией 14 МэВ являются низкоэнергетич. ускорители дейтронов с тритиевой или литиевой мишенью, а в будущем интенсивными источниками таких H. могут оказаться термоядерные установки УТС. (См. .)

Основные характеристики H .

Масса H. т п = 939,5731(27) МэВ/с 2 = = 1,008664967(34) ат. ед. массы 1,675 . 10 -24 г. Разность масс H. и протона измерена с наиб. точностью из энергетич. баланса реакции захвата H. протоном: n + p d + g (энергия g-кванта = 2,22 МэВ), m n - m p = 1,293323 (16) МэВ/с 2 .

Электрический заряд H. Q n = 0. Наиболее точные прямые измерения Q n выполнены по отклонению пучков холодных либо ультрахолодных H. в электростатич. поле: Q n <= 3·10 -21 е (е - заряд электрона). Косв. данные по электрич. нейтральности мак-роскопич. кол-ва газа дают Q n <= 2·10 -22 е .

Спин H. J = 1 / 2 был определён из прямых опытов по расщеплению пучка H. в неоднородном магн. поле на две компоненты [в общем случае число компонент равно (2J + 1)].

Последоват. описание структуры адронов на основе совр. теории сильного взаимодействия - квантовой хромодинамики - пока встречает теоретич. трудности, однако для мн. задач вполне удовлетворит. результаты даёт описание взаимодействия нуклонов, представляемых как элементарные объекты, посредством обмена мезонами. Эксперим. исследование пространств. структуры H. выполняется с помощью рассеяния высокоэнергичных лептонов (электронов, мюонов, нейтрино, рассматриваемых в совр. теории как точечные частицы) на дейтронах. Вклад рассеяния на протоне измеряется в отд. эксперименте и может быть вычтен с помощью определ. вычислит. процедуры.

Упругое и квазиупругое (с расщеплением дейтрона) рассеяние электронов на дейтроне позволяет найти распределение плотности электрич. заряда и магн. момента H. (формфактор H.). Согласно эксперименту, распределение плотности магн. момента H. с точностью порядка неск. процентов совпадает с распределением плотности электрич. заряда протона и имеет среднеквадратичный радиус ~0,8·10 -13 см (0,8 Ф). Магн. форм-фактор H. довольно хорошо описывается т. н. диполь-ной ф-лой G M n = m n (1 + q 2 /0,71) -2 , где q 2 - квадрат переданного импульса в единицах (ГэВ/с) 2 .

Более сложен вопрос о величине электрич. (зарядового) формфактора H. G E n . Из экспериментов по рассеянию на дейтроне можно сделать заключение, что G E n (q 2 ) <= 0,1 в интервале квадратов переданных импульсов (0-1) (ГэВ/с) 2 . При q 2 0 вследствие равенства нулю электрич. заряда H. G E n -> 0, однако экспериментально можно определить дG E n (q 2 )/дq 2 | q 2=0 . Эта величина наиб. точно находится из измерений длины рассеяния H. на электронной оболочке тяжёлых атомов. Осн. часть такого взаимодействия определяется магн. моментом H. Наиб. точные эксперименты дают длину ne-рассеяния а nе = -1,378(18) . 10 -16 см, что отличается от расчётной, определяемой магн. моментом H.: a nе = -1,468 . 10 -16 см. Разность этих значений даёт среднеквадратичный электрич. радиус H. <r 2 E n >= = 0,088(12) Фили дG E n (q 2)/дq 2 | q 2=0 = -0,02 F 2 . Эти циф-ры нельзя рассматривать как окончательные из-за большого разброса данных разл. экспериментов, превышающих приводимые ошибки.

Особенностью взаимодействия H. с большинством ядер является положит. длина рассеяния, что приводит к коэф. преломления < 1. Благодаря этому H., падающие из вакуума на границу вещества, могут испытывать полное внутр. отражение. При скорости u < (5-8) м/с (ультрахолодные H.) H. испытывают полное отражение от границы с углеродом, никелем, бериллием и др. при любом угле падения и могут удерживаться в замкнутых объёмах. Это свойство ультрахолодных H. широко используется в экспериментах (напр., для поиска ЭДМ H.) и позволяет реализовать нейтронооптич. устройства (см. Нейтронная оптика ).

H. и слабое (электрослабое) взаимодействие . Важным источником сведений об электрослабом взаимодействии является b-распад свободного H. .На квар-ковом уровне этот процесс соответствует переходу . Обратный процесс взаимодействия электронного с протоном, , наз. обратным b-распадом. К этому же классу процессов относится электронный захват ,имеющий место в ядрах, ре - nv e .

Распад свободного H. с учётом кинематич. параметров описывается двумя константами - векторной G V , являющейся вследствие векторного тока сохранения универс. константой слабого взаимодействия, и аксиально-векторной G A , величина к-рой определяется динамикой сильно взаимодействующих компонент нуклона - кварков и глюонов. Волновые ф-ции начального H. и конечного протона и матричный элемент перехода n p благодаря изотопич. инвариантности вычисляются достаточно точно. Вследствие этого вычисление констант G V и G A из распада свободного H. (в отличие от вычислений из b-распада ядер) не связано с учётом ядерно-структурных факторов.

Время жизни H. без учёта нек-рых поправок равно: t n = k(G 2 V + 3G 2 A ) -1 , где k включает кинематич. факторы и зависящие от граничной энергии b-распада кулонов-ские поправки и радиационные поправки .

Вероятность распада поляризов. H. со спином S , энергиями и импульсами электрона и антинейтрино и р е, в общем виде описывается выражением:

Коэф. корреляции a, А, В, D могут быть представлены в виде ф-ции от параметра а = (G A /G V ,)exp(i f). Фаза f отлична от нуля или p, если T -инвариантность нарушена. В табл. приведены эксперим. значения для этих коэф. и вытекающие из них значения a и f.

Имеется заметное отличие данных разл. экспериментов для т n , достигающее неск. процентов.

Описание электрослабого взаимодействия с участием H. при более высоких энергиях гораздо сложнее из-за необходимости учитывать структуру нуклонов. Напр., m - -захват, m - p nv m , описывается по крайней мере удвоенным числом констант. H. испытывает также электрослабое взаимодействие с др. адронами без участия лептонов. К таким процессам относятся следующие.

1) Распады гиперонов L np 0 , S + np + , S - np - и т. д. Приведённая вероятность этих распадов в неск. раз меньше, чем у нестранных частиц, что описывается введением угла Кабиббо (см. Кабиббо угол ).

2) Слабое взаимодействие n - n или n - p, к-рое проявляется как ядерные силы, не сохраняющие пространств. чётность .Обычная величина обусловленных ими эффектов порядка 10 -6 -10 -7 .

Взаимодействие H. со средними и тяжёлыми ядрами имеет ряд особенностей, приводящих в нек-рых случаях к значит. усилению эффектов несохранения чётности в ядрах . Один из таких эффектов - относит. разность сечения поглощения H. с по направлению распространения и против него, к-рая в случае ядра 139 La равна 7% при = 1,33 эВ, соответствуют щей р -волновому нейтронному резонансу. Причиной усиления является сочетание малой энергетич. ширины состояний компаунд-ядра и большой плотности уровней с противоположной чётностью у этого компаунд-ядра, обеспечивающей на 2-3 порядка большее смешивание компонент с разной чётностью, чем у низко лежащих состояний ядер. В результате ряд эффектов: асимметрия испускания g-квантов относительно спина захватываемого поляризов. H. в реакции (n, g), асимметрия вылета заряж. частиц при распаде компаунд-состояний в реакции (n, р) или асимметрия вылета лёгкого (или тяжёлого) осколка деления в реакции (n, f ). Асимметрии имеют величину 10 -4 -10 -3 при энергии тепловых H. В р -волновых нейтронных резонансах реализуется дополнит. усиление, связанное с подавленностью вероятности образования сохраняющей чётность компоненты этого компаунд-состояния (из-за малой нейтронной ширины р -резонанса) по отношению к примесной компоненте с противоположной четностью, являющейся s -резонан-сом. Именно сочетание неск. факторов усиления позволяет крайне слабому эффекту проявляться с величиной, характерной для ядерного взаимодействия.

Взаимодействия с нарушением барионного числа . Теоретич. модели великого объединения и суперобъединения предсказывают нестабильность барионов - их распад в лептоны и мезоны. Эти распады могут быть заметны только для легчайших барионов - p и п, входящих в состав атомных ядер. Для взаимодействия с изменением барионного числа на 1, DB = 1, можно было бы ожидать превращения H. типа: n е + p - , или превращения с испусканием странных мезонов. Поиски такого рода процессов производились в экспериментах с применением подземных детекторов с массой в неск. тысяч тонн. На основании этих экспериментов можно сделать заключение, что время распада H. с нарушением барионного числа составляет более 10 32 лет.

Др. возможный тип взаимодействия с DВ = 2 может привести к явлению взаимопревращения H. и антинейтронов в вакууме, т. е. к осцилляции . В отсутствие внеш. полей или при их малой величине состояния H. и антинейтрона вырождены, поскольку массы их одинаковы, поэтому даже сверхслабое взаимодействие может их перемешивать. Критерием малости внеш. полей является малость энергии взаимодействия магн. момента H. с магн. полем (n и n ~ имеют противоположные по знаку магн. моменты) по сравнению с энергией, определяемой временем T наблюдения H. (согласно соотношению неопределённостей), D <=hT -1 . При наблюдении рождения антинейтронов в пучке H. от реактора или др. источника T есть время пролёта H. до детектора. Число антинейтронов в пучке растёт с ростом времени пролёта квадратично: /N n ~ ~ (T /t осц) 2 , где t осц - время осцилляции.

Прямые эксперименты по наблюдению рождения и в пучках холодных H. от высокопоточного реактора дают ограничение t осц > 10 7 с. В готовящихся экспериментах можно ожидать увеличения чувствительности до уровня t осц ~ 10 9 с. Ограничивающими обстоятельствами являются макс. интенсивность пучков H. и имитация явлений антинейтронов в детекторе космич. лучами.

Др. метод наблюдения осцилляции - наблюдение аннигиляции антинейтронов, к-рые могут образовываться в стабильных ядрах. При этом из-за большого отличия энергий взаимодействий возникающего антинейтрона в ядре от энергии связи H. эфф. время наблюдения становится ~ 10 -22 с, но большое число наблюдаемых ядер (~10 32) частично компенсирует уменьшение чувствительности по сравнению с экспериментом на пучках H. Из данных подземных экспериментов по поиску распада протона об отсутствии событий с энерговыделением ~2 ГэВ можно заключить с нек-рой неопределённостью, зависящей от незнания точного вида взаимодействия антинейтрона внутри ядра, что t осц > (1-3) . 10 7 с. Существ. повышение предела t осц в этих экспериментах затруднено фоном, обусловленным взаимодействием космич. нейтрино с ядрами в подземных детекторах.

Следует отметить, что поиски распада нуклона с DB = 1 и поиски -осцилляции являются независимыми экспериментами, т. к. вызываются принципиально разл. видами взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие H . Нейтрон - одна из немногих элементарных частиц, падение к-рой в гравитац. поле Земли можно наблюдать экспериментально. Прямое измерение для H. выполнено с точностью 0,3% и не отличается от макроскопического. Актуальным остаётся вопрос о соблюдении эквивалентности принципа (равенства инертной и гравитац. масс) для H. и протонов.

Самые точные эксперименты выполнены методом Эт-веша для тел, имеющих разные ср. значения отношения A/Z , где А - ат. номер, Z - заряд ядер (в ед. элементарного заряда е) . Из этих опытов следует одинаковость ускорения свободного падения для H. и протонов на уровне 2·10 -9 , а равенство гравитац. и инертной масс на уровне ~10 -12 .

Гравитац. ускорение и замедление широко используются в опытах с ультрахолодными H. Применение гравитац. рефрактометра для холодных и ультрахолодных H. позволяет с большой точностью измерить длины когерентного рассеяния H. на веществе.

H. в космологии и астрофизике

Согласно совр. представлениям, в модели Горячей Вселенной (см. Горячей Вселенной теория )образование барионов, в т. ч. протонов и H., происходит в первые минуты жизни Вселенной. В дальнейшем нек-рая часть H., не успевших распасться, захватывается протонами с образованием 4 He. Соотношение водорода и 4 He при этом составляет по массе 70% к 30%. При формировании звёзд и их эволюции происходит дальнейший нуклеосинтез , вплоть до ядер железа. Образование более тяжёлых ядер происходит в результате взрывов сверхновых с рождением нейтронных звёзд, создающих возможность последоват. захвата H. нуклидами. При этом комбинация т. н. s -процесса - медленного захвата H. с b-распадом между последовательными захватами и r -процесса - быстрого последоват. захвата при взрывах звёзд в осн. может объяснить наблюдаемую распространённость элементов в космич. объектах.

В первичной компоненте космич. лучей H. из-за своей нестабильности вероятно отсутствуют. H., образующиеся у поверхности Земли, диффундирующие в космич. пространство и распадающиеся там, по-видимому, вносят вклад в формирование электронной и протонной компоненты радиационных поясов Земли.

Лит.: Гуревич И. С., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергий, M., 1965; Александров Ю. А.,. Фундаментальные свойства нейтрона, 2 изд., M., 1982.