Нейтронная физика
Нейтро́нная фи́зика — раздел физики элементарных частиц, занимающийся исследованием нейтронов, их свойств и структуры (времени жизни, магнитного момента и др.), методов получения, а также возможностями использования в прикладных и научно-исследовательских целях.
Физика
Нейтроны
Отсутствие у нейтрона электрического заряда приводит к тому, что они в основном взаимодействуют непосредственно с атомными ядрами, либо вызывая ядерные реакции, либо рассеиваясь на ядрах. Характеристика и интенсивность нейтронно-ядерного взаимодействия (нейтронные сечения) существенно зависят от энергии нейтронов. В нейтронной физике главным образом используются нейтроны с энергиями от 107 до 10−7 эВ (длины волн де Бройля от 10−12 до 10−5 см). Соответственно этому диапазону энергий и длин волн исследуются объекты с размерами от 10−12 см и характерными энергиями возбуждения 106 — 107 эВ (атомного ядра) до видимых в оптический микроскоп объектов размерами 10−4 см (например, макромолекулы биополимеров).
Нейтронное излучение условно разделяют на энергетические диапазоны, отличающиеся методами получения и регистрации нейтронов, а также направлениями их использования:
| Нейтроны | Энергия Ε, эВ | Скорость v, см/с | Ср. длина волны λ, см | Средняя температура Τср, К |
|---|---|---|---|---|
| Быстрые | ||||
| Медленные | ||||
| промежуточные | ||||
| резонансные | ||||
| Тепловые | ||||
| Холодные | ||||
| Ультрахолодные | ||||
Нейтроны с кинетической энергией E > 100 кэВ названы быстрыми. Они способны испытывать на ядрах неупругое рассеяние и вызывать эндотермические ядерные реакции, например (n, α), (n, 2n), (n, pn). Сечения этих реакций сравнительно плавно зависят от E (выше характерного для них энергетического порога), и их исследование позволяет изучать механизм распределения энергии возбуждения между нуклонами, составляющими ядро.
Нейтроны с энергией E < 100 кэВ часто называется медленными, они в свою очередь делятся на резонансные и промежуточные. Медленные нейтроны в основном упруго рассеиваются на ядрах или вызывают экзотермические ядерные реакции, в первую очередь (n, γ), реакции типа (n, p), (n, α) и деление ядер. Реакции 3He(n, p)3H; 10B(n, α)7Li используются для регистрации нейтронов; вторая из них — также для защиты от нейтронного излучения.
Название «резонансные нейтроны» обусловлено наличием резонансных максимумов (нейтронных резонансов) в энергетической зависимости эффективного сечения σ(E) взаимодействия нейтронов с веществом. Исследования с резонансными нейтронами дают возможность изучать спектр возбуждения ядер. В области энергии промежуточных нейтронов резонансная структура нейтронов сечения сглаживается из-за перекрытия соседних резонансов. Сечение любой ядерной реакции, вызываемое достаточно медленными нейтронами, обратно пропорционально их скорости. Это соотношение называется «законом 1/v». Отклонение от этого закона наблюдается, когда E становится сравнимой с энергией первого резонансного уровня.
Получение
Практически во всех нейтронно-физических исследованиях используются пучки моноэнергетических нейтронов со степенью монохроматизации ~10−2. Интенсивные пучки быстрых нейтронов получаются на ускорителях заряженных частиц в ядерных реакциях (p, n) и (d, pn). Энергия нейтронов Е изменяется при варьировании энергии первичных заряженных частиц, падающих на мишень.
Медленные нейтроны также могут быть получены на всех типах ускорителей, в том числе на электронных ускорителях в результате реакций (γ, n) при облучении мишеней на тяжелых элементах γ-квантами тормозного излучения электронов. Получающиеся быстрые нейтроны могут быть замедлены. Обычно для этого используется водородсодержащие вещества (вода, парафин и другие), в которых нейтроны теряют свою энергию, рассеиваясь на ядрах водорода. Однако после замедления нейтроны не моноэнергетичны.
Для получения моноэнергетических нейтронов применяют , для которого необходимы импульсные источники нейтронов. В каждый момент времени t после импульса нейтронов на детектор, удаленный от источника на расстояние L, приходят нейтроны с энергией, определяемой соотношением
где энергия выражена в электронвольтах, расстояние — в метрах, время — в микросекундах.
Мощные источники тепловых нейтронов — создают внутри замедлителей потоки тепловых нейтронов до 1015 нейтронов/(см2×с). Моноэнергетические тепловые нейтроны получают на монокристаллах. Для получения холодных нейтронов используются замедлители, охлаждаемые до температуры жидкого азота и даже жидкого водорода (20 К). Ультрахолодные нейтроны выводятся из замедлителя резко изогнутыми вакуумными .
Исследования
Энергия тепловых нейтронов сравнима с энергией тепловых колебания атомов в твердом теле, а λn — с межатомным расстоянием. При прохождении тепловых нейтронов через вещество они могут существенно менять свою энергию, приобретая или отдавая её тепловым колебаниям атомов или молекул. По величине таких изменений может быть получен фононный спектр вещества. При рассеянии тепловых нейтронов на монокристаллах имеет место дифракция нейтронов.
Отдельные исследования
Холодные нейтроны используются для изучения медленных диффузионных движений атомов и молекул в различных средах, а также для исследования белковых макромолекул, полимеров, микродефектов и микро-неоднородностей в растворах и сплавах.
Ультрахолодные нейтроны полностью отражаются от большинства материалов за счет своеобразного «отталкивания» их веществом. Это явление подобно полному внутреннему отражению света на границе двух сред и может быть описано мнимым показателем преломления для нейтронного излучения с длиной волны λn > 500 Å. Благодаря этому ультрахолодные нейтроны можно накапливать и длительное время (сотни секунд) хранить в замкнутых сосудах.
Наличие у нейтронов магнитно-дипольного момента вызывает магнитное рассеяние нейтрона на атомарных электронах, что даёт возможность изучать структуру и динамику магнитных материалов.
Предметом исследования нейтронной физики является также свойства самого нейтрона как элементарной частицы. Большое значение для физики слабого взаимодействия имеет точное измерение времени жизни нейтрона . Многие расширения Стандартной Модели предсказывают наличие у нейтрона ненулевого электрического дипольного момента, а также существование нейтрон-антинейтронных осцилляций.
Значение
Результаты нейтронно-физических исследований имеют особое практическое значение в связи с проблемами получения ядерной энергии, так как в процессе ядерного деления и термоядерного синтеза нейтроны играют основную роль.
Литература
- Dirk Dubbers, Michael G. Schmidt. 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.
- Федоров В. В. Нейтронная физика. — СПб.: ПИЯФ, 2004. — 334 с.
Ссылки
- Serebrov, A.P.; Fomin, A.K. (2011). New evaluation of neutron lifetime from UCN storage experiments and beam experiments. Physics Procedia. 17: 199–205. doi:10.1016/j.phpro.2011.06.037.
- A.P. Serebrov; et al. (2015). New Measurements of the Neutron Electric Dipole Moment with the Petersburg Nuclear Physics Institute Double-Chamber Electric Dipole Moment Spectrometer. Physics of Particles and Nuclei Letters. 12: 286–296. doi:10.1134/S1547477115020193.
- A.K. Fomin; et al. (2017). Experiment on search for neutron–antineutron oscillations using a projected UCN source at the WWR-M reactor. Journal of Physics: Conference Series. 798: 012115. doi:10.1088/1742-6596/798/1/012115.
См. также
- Нейтрон
- Спектр нейтронов
- Нейтронная оптика
- Нейтронная спектроскопия
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Нейтронная физика, Что такое Нейтронная физика? Что означает Нейтронная физика?
Nejtro nnaya fi zika razdel fiziki elementarnyh chastic zanimayushijsya issledovaniem nejtronov ih svojstv i struktury vremeni zhizni magnitnogo momenta i dr metodov polucheniya a takzhe vozmozhnostyami ispolzovaniya v prikladnyh i nauchno issledovatelskih celyah FizikaNejtrony Otsutstvie u nejtrona elektricheskogo zaryada privodit k tomu chto oni v osnovnom vzaimodejstvuyut neposredstvenno s atomnymi yadrami libo vyzyvaya yadernye reakcii libo rasseivayas na yadrah Harakteristika i intensivnost nejtronno yadernogo vzaimodejstviya nejtronnye secheniya sushestvenno zavisyat ot energii nejtronov V nejtronnoj fizike glavnym obrazom ispolzuyutsya nejtrony s energiyami ot 107 do 10 7 eV dliny voln de Brojlya ot 10 12 do 10 5 sm Sootvetstvenno etomu diapazonu energij i dlin voln issleduyutsya obekty s razmerami ot 10 12 sm i harakternymi energiyami vozbuzhdeniya 106 107 eV atomnogo yadra do vidimyh v opticheskij mikroskop obektov razmerami 10 4 sm naprimer makromolekuly biopolimerov Nejtronnoe izluchenie uslovno razdelyayut na energeticheskie diapazony otlichayushiesya metodami polucheniya i registracii nejtronov a takzhe napravleniyami ih ispolzovaniya Nejtrony Energiya E eV Skorost v sm s Sr dlina volny l sm Srednyaya temperatura Tsr KBystrye gt 105 gt 1 4 109 lt 10 12 1010Medlennyepromezhutochnye 104 103 1 4 108 3 10 11 108rezonansnye 0 5 104 1 4 107 3 10 10 106Teplovye 0 5 5 10 3 2 105 2 10 8 300Holodnye 5 10 3 10 7 4 4 104 9 10 8 10Ultraholodnye 10 7 4 4 102 9 10 6 10 3 Nejtrony s kineticheskoj energiej E gt 100 keV nazvany bystrymi Oni sposobny ispytyvat na yadrah neuprugoe rasseyanie i vyzyvat endotermicheskie yadernye reakcii naprimer n a n 2n n pn Secheniya etih reakcij sravnitelno plavno zavisyat ot E vyshe harakternogo dlya nih energeticheskogo poroga i ih issledovanie pozvolyaet izuchat mehanizm raspredeleniya energii vozbuzhdeniya mezhdu nuklonami sostavlyayushimi yadro Nejtrony s energiej E lt 100 keV chasto nazyvaetsya medlennymi oni v svoyu ochered delyatsya na rezonansnye i promezhutochnye Medlennye nejtrony v osnovnom uprugo rasseivayutsya na yadrah ili vyzyvayut ekzotermicheskie yadernye reakcii v pervuyu ochered n g reakcii tipa n p n a i delenie yader Reakcii 3He n p 3H 10B n a 7Li ispolzuyutsya dlya registracii nejtronov vtoraya iz nih takzhe dlya zashity ot nejtronnogo izlucheniya Nazvanie rezonansnye nejtrony obuslovleno nalichiem rezonansnyh maksimumov nejtronnyh rezonansov v energeticheskoj zavisimosti effektivnogo secheniya s E vzaimodejstviya nejtronov s veshestvom Issledovaniya s rezonansnymi nejtronami dayut vozmozhnost izuchat spektr vozbuzhdeniya yader V oblasti energii promezhutochnyh nejtronov rezonansnaya struktura nejtronov secheniya sglazhivaetsya iz za perekrytiya sosednih rezonansov Sechenie lyuboj yadernoj reakcii vyzyvaemoe dostatochno medlennymi nejtronami obratno proporcionalno ih skorosti Eto sootnoshenie nazyvaetsya zakonom 1 v Otklonenie ot etogo zakona nablyudaetsya kogda E stanovitsya sravnimoj s energiej pervogo rezonansnogo urovnya Poluchenie Prakticheski vo vseh nejtronno fizicheskih issledovaniyah ispolzuyutsya puchki monoenergeticheskih nejtronov so stepenyu monohromatizacii 10 2 Intensivnye puchki bystryh nejtronov poluchayutsya na uskoritelyah zaryazhennyh chastic v yadernyh reakciyah p n i d pn Energiya nejtronov E izmenyaetsya pri varirovanii energii pervichnyh zaryazhennyh chastic padayushih na mishen Medlennye nejtrony takzhe mogut byt polucheny na vseh tipah uskoritelej v tom chisle na elektronnyh uskoritelyah v rezultate reakcij g n pri obluchenii mishenej na tyazhelyh elementah g kvantami tormoznogo izlucheniya elektronov Poluchayushiesya bystrye nejtrony mogut byt zamedleny Obychno dlya etogo ispolzuetsya vodorodsoderzhashie veshestva voda parafin i drugie v kotoryh nejtrony teryayut svoyu energiyu rasseivayas na yadrah vodoroda Odnako posle zamedleniya nejtrony ne monoenergetichny Dlya polucheniya monoenergeticheskih nejtronov primenyayut dlya kotorogo neobhodimy impulsnye istochniki nejtronov V kazhdyj moment vremeni t posle impulsa nejtronov na detektor udalennyj ot istochnika na rasstoyanie L prihodyat nejtrony s energiej opredelyaemoj sootnosheniem E 5227 Lt 2 displaystyle E 5227 frac L t 2 gde energiya vyrazhena v elektronvoltah rasstoyanie v metrah vremya v mikrosekundah Moshnye istochniki teplovyh nejtronov sozdayut vnutri zamedlitelej potoki teplovyh nejtronov do 1015 nejtronov sm2 s Monoenergeticheskie teplovye nejtrony poluchayut na monokristallah Dlya polucheniya holodnyh nejtronov ispolzuyutsya zamedliteli ohlazhdaemye do temperatury zhidkogo azota i dazhe zhidkogo vodoroda 20 K Ultraholodnye nejtrony vyvodyatsya iz zamedlitelya rezko izognutymi vakuumnymi IssledovaniyaEnergiya teplovyh nejtronov sravnima s energiej teplovyh kolebaniya atomov v tverdom tele a ln s mezhatomnym rasstoyaniem Pri prohozhdenii teplovyh nejtronov cherez veshestvo oni mogut sushestvenno menyat svoyu energiyu priobretaya ili otdavaya eyo teplovym kolebaniyam atomov ili molekul Po velichine takih izmenenij mozhet byt poluchen fononnyj spektr veshestva Pri rasseyanii teplovyh nejtronov na monokristallah imeet mesto difrakciya nejtronov Otdelnye issledovaniya Holodnye nejtrony ispolzuyutsya dlya izucheniya medlennyh diffuzionnyh dvizhenij atomov i molekul v razlichnyh sredah a takzhe dlya issledovaniya belkovyh makromolekul polimerov mikrodefektov i mikro neodnorodnostej v rastvorah i splavah Ultraholodnye nejtrony polnostyu otrazhayutsya ot bolshinstva materialov za schet svoeobraznogo ottalkivaniya ih veshestvom Eto yavlenie podobno polnomu vnutrennemu otrazheniyu sveta na granice dvuh sred i mozhet byt opisano mnimym pokazatelem prelomleniya dlya nejtronnogo izlucheniya s dlinoj volny ln gt 500 A Blagodarya etomu ultraholodnye nejtrony mozhno nakaplivat i dlitelnoe vremya sotni sekund hranit v zamknutyh sosudah Nalichie u nejtronov magnitno dipolnogo momenta vyzyvaet magnitnoe rasseyanie nejtrona na atomarnyh elektronah chto dayot vozmozhnost izuchat strukturu i dinamiku magnitnyh materialov Predmetom issledovaniya nejtronnoj fiziki yavlyaetsya takzhe svojstva samogo nejtrona kak elementarnoj chasticy Bolshoe znachenie dlya fiziki slabogo vzaimodejstviya imeet tochnoe izmerenie vremeni zhizni nejtrona Mnogie rasshireniya Standartnoj Modeli predskazyvayut nalichie u nejtrona nenulevogo elektricheskogo dipolnogo momenta a takzhe sushestvovanie nejtron antinejtronnyh oscillyacij Znachenie Rezultaty nejtronno fizicheskih issledovanij imeyut osoboe prakticheskoe znachenie v svyazi s problemami polucheniya yadernoj energii tak kak v processe yadernogo deleniya i termoyadernogo sinteza nejtrony igrayut osnovnuyu rol LiteraturaDirk Dubbers Michael G Schmidt The neutron and its role in cosmology and particle physics angl Rev Mod Phys 2011 Vol 83 P 1111 1171 doi 10 1103 RevModPhys 83 1111 Shirokov Yu M Yudin N P Yadernaya fizika M Nauka 1972 670 s Fedorov V V Nejtronnaya fizika SPb PIYaF 2004 334 s SsylkiSerebrov A P Fomin A K 2011 New evaluation of neutron lifetime from UCN storage experiments and beam experiments Physics Procedia 17 199 205 doi 10 1016 j phpro 2011 06 037 A P Serebrov et al 2015 New Measurements of the Neutron Electric Dipole Moment with the Petersburg Nuclear Physics Institute Double Chamber Electric Dipole Moment Spectrometer Physics of Particles and Nuclei Letters 12 286 296 doi 10 1134 S1547477115020193 A K Fomin et al 2017 Experiment on search for neutron antineutron oscillations using a projected UCN source at the WWR M reactor Journal of Physics Conference Series 798 012115 doi 10 1088 1742 6596 798 1 012115 Sm takzheNejtron Spektr nejtronov Nejtronnaya optika Nejtronnaya spektroskopiya
