Курс лекций по разделу физика атома и ядра

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 Е_γ ≈ 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 m_n нейтрона, из-за его электрической нейтральности, не может быть измерена с помощью масс-спектрометров.

Первое определение массы m_n 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:

где m_n, v и v’- масса нейтрона и его скорости до и после столкновения; M и V – масса ядра отдачи и его скорость после столкновения. Отсюда:

Так как в обоих опытах первоначальная скорость нейтронов до соударения оставалась одной и той же, то

Учитывая связь скорости ядра отдачи с его кинетической энергией

из последних двух уравнений получим, что

Единственной неизвестной величиной в (4.9.5), которую следует определить, является масса нейтрона m_n. 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

и обратной ей реакции ²H(γ, n)¹H фоторасщепления дейтона.

Если протон неподвижен, то закон сохранения энергии для реакции (4.9.6):

а из закона сохранения импульса следует, что

При Т_n»0 (используется тепловые нейтроны) из (4.9.7) и (4.9.8) получим, что

Массы дейтона и протона m_d и m_p известны с большой точностью, а энергия E_g измеряется современными гамма-спектрометрическими методами.

Наиболее точное значение массы нейтрона в настоящее время (1988 г.):

          m_n = 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 "Физика и математика в примерах и задачах"

Ядерная физика Строение и общие свойства атомных ядер
	Свойства ядер Заряд ядра Масса ядра и масса атома Спин, магнитный и электрический моменты ядер
Ядерная физика Модели атомных ядер
	Капельная модель Оболочечная модель Радиоактивные превращения ядер Основные законы радиоактивного распада
Ядерные реакции Деление ядер
	Механизми сечение ядерных реакций Реакции под действием заряженных частиц Термоядерный синтез Энергетический барьер деления Цепная реакция деления

Аналитическая геометрия Курс лекций по разделу Геометрия и алгебра: Кривые второго порядка, системы координат, Линейная алгебра, элементы векторной алгебры

Высшая алгебра Введение в математический анализ Элементы высшей алгебры

Математика - Функции и их графики, пределы, непрерывность функций и точки разрыва, производные и дифференциалы, свойства дифференцируемых функций, матрицы, системы линейных уравнений, комплексные числа

Первообразная функция Методы интегрирования Исследование функции на экстремум с помощью производных высших порядков Аренда помещений под кафе ресторан. Сниму в аренду помещение под ресторан в городе покрове .Вычисление определенного интеграла, объемов тел Дифференциальное исчисление функции одной переменной Ищешь Антенну - yota антенна . 4G Интернет доступен уже сейчас. Дискретная математика Элементы высшей алгебры Математический анализ, примеры решения задач Установка, отделка окон ПВХ REHAU: пластиковые окна профиль rehau . Строение и общие свойства атомных ядер Ядерные реакции Деление ядер Рынок земли - стоимость земельных участков . Законы радиоактивного распада Взаимодействие нейтронов с ядрами дешевые кухни Реакции с ядрами и частицамиКвантовая механика, Волновая функция Расчёт электрического поля Расчёт магнитной цепи Законы Кирхгофа и расчёт резистивных электрических цепей Электротехника лекции конспекты курсовые задачи