§4.9. Реакции под действием нейтронов
1. Основные свойства нейтронов
В начале 1930 г. было установлено, что при бомбардировке -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 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 (~ 10‑20 е) 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 + MV 2/2, 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 v 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 E 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 -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 нейтронов, рождающихся постоянно под действием космических лучей.