В зависимости от энергии Н. принята их условная классификация: ультрахолодные Н. (до 10-7 эв ), очень холодные (10-7 —10-4 эв), холодные (10-4 —5×10-3 эв ), тепловые (5×10-3 —0,5 эв), резонансные (0,5—104 эв ), промежуточные (104 —105 эв ), быстрые (105 —108 эв ), высокоэнергичные (108 —1010 эв ) и релятивистские (³ 1010 эв); все Н. с энергией до 105 эв объединяют общим названием медленные нейтроны .
О методах регистрации Н. см. Нейтронные детекторы .
Основные характеристики нейтронов
Масса . Наиболее точно определяемой величиной является разность масс Н. и протона: mn — mр = (1,29344 ± 0,00007) Мэв, измеренная по энергетическому балансу различных ядерных реакций. Из сопоставления этой величины с массой протона получается (в энергетических единицах)
mn = (939,5527 ± 0,0052) Мэв;
это соответствует mn » 1,6·10-24 г, или mn » 1840 mе , где mе — масса электрона.
Спин и статистика. Значение 1 /2 для спина Н. подтверждается большой совокупностью фактов. Непосредственно спин был измерен в опытах по расщеплению пучка очень медленных Н. в неоднородном магнитном поле. В общем случае пучок должен расщепиться на 2J + 1 отдельных пучков, где J — спин Н. В опыте наблюдалось расщепление на 2 пучка, откуда следует, что J = 1 /2 . Как частица с полуцелым спином, Н. подчиняется Ферми — Дирака статистике (является фермионом); независимо это было установлено на основе экспериментальных данных по строению атомных ядер (см. Ядерные оболочки ).
Электрический заряд нейтрона Q = 0. Прямые измерения Q по отклонению пучка Н. в сильном электрическом поле показывают, что, по крайней мере, Q < 10-17 e, где е — элементарный электрический заряд, а косвенные измерения (по электрической нейтральности макроскопических объёмов газа) дают оценку Q < 2·10-22 е .
Другие квантовые числа нейтрона . По своим свойствам Н. очень близок протону: n и р имеют почти равные массы, один и тот же спин, способны взаимно превращаться друг в друга, например в процессах бета-распада ; они одинаковым образом проявляют себя в процессах, вызванных сильным взаимодействие , в частности ядерные силы , действующие между парами р—р, n—p и n—n, одинаковы (если частицы находятся соответственно в одинаковых состояниях). Такое глубокое сходство позволяет рассматривать Н. и протон как одну частицу — нуклон, которая может находиться в двух разных состояниях, отличающихся электрическим зарядом Q. Нуклон в состоянии с Q = + 1 есть протон, с Q = 0 — Н. Соответственно, нуклону приписывается (по аналогии с обычным спином) некоторая внутренняя характеристика — изотонический спин I , равный 1 /2 , «проекция» которого может принимать (согласно общим правилам квантовой механики) 2I + 1 = 2 значения: + 1 /2 и —1 /2 . Т. о., n и р образуют изотопический дублет (см. Изотопическая инвариантность ): нуклон в состоянии с проекцией изотопического спина на ось квантования + 1 /2 является протоном, а с проекцией —1 /2 — Н. Как компоненты изотопического дублета, Н. и протон, согласно современной систематике элементарных частиц, имеют одинаковые квантовые числа: барионный заряд В =+ 1, лептонный заряд L = 0, странность S = 0 и положительную внутреннюю чётность . Изотопический дублет нуклонов входит в состав более широкой группы «похожих» частиц — так называемый октет барионов с J = 1 /2 , В = 1 и положительной внутренней чётностью; помимо n и р в эту группу входят L- , S± -, S0 -, X- -, X0 - гипероны , отличающиеся от n и р странностью (см. Элементарные частицы ).
Магнитный дипольный момент нейтрона, определённый из экспериментов по ядерному магнитному резонансу, равен:
mn = — (1,91315 ± 0,00007) mя ,
где mя =5,05×10-24 эрг/гс — ядерный магнетон. Частица со спином 1 /2 , описываемая Дирака уравнением , должна обладать магнитным моментом, равным одному магнетону, если она заряжена, и нулевым, если не заряжена. Наличие магнитного момента у Н., так же как аномальная величина магнитного момента протона (mр = 2,79mя ), указывает на то, что эти частицы имеют сложную внутреннюю структуру, т. е. внутри них существуют электрические токи, создающие дополнительный «аномальный» магнитный момент протона 1,79mя и приблизительно равный ему по величине и противоположный по знаку магнитный момент Н. (—1,9mя ) (см. ниже).
Электрический дипольный момент. С теоретической точки зрения, электрический дипольный момент d любой элементарной частицы должен быть равен нулю, если взаимодействия элементарных частиц инвариантны относительно обращения времени (Т-инвариантность). Поиски электрического дипольного момента у элементарных частиц являются одной из проверок этого фундаментального положения теории, и из всех элементарных частиц, Н. — наиболее удобная частица для таких поисков. Опыты по методу магнитного резонанса на пучке холодных Н. показали, что dn < 10-23 см·e. Это означает, что сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия с большой точностью Т -инвариантны.
Взаимодействия нейтронов
Н. участвуют во всех известных взаимодействиях элементарных частиц — сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном.
Сильное взаимодействие нейтронов . Н. и протон участвуют в сильных взаимодействиях как компоненты единого изотопического дублета нуклонов. Изотопическая инвариантность сильных взаимодействий приводит к определённой связи между характеристиками различных процессов с участием Н. и протона, например эффективные сечения рассеяния p+ -мезона на протоне и p- -мезона на Н. равны, так как системы p+ р и p- n имеют одинаковый изотопический спин I = 3 /2 и отличаются лишь значениями проекции изотопического спина I3 (I 3 = + 3 /2 в первом и I 3 = — 3 /2 во втором случаях), одинаковы сечения рассеяния К+ на протоне и К°на Н, и т.п. Справедливость такого рода соотношений экспериментально проверена в большом числе опытов на ускорителях высокой энергии. [Ввиду отсутствия мишеней, состоящих из Н., данные о взаимодействии с Н. различных нестабильных частиц извлекаются главным образом из экспериментов по рассеянию этих частиц на дейтроне (d) — простейшем ядре, содержащем Н.]
При низких энергиях реальные взаимодействия Н. и протонов с заряженными частицами и атомными ядрами сильно различаются из-за наличия у протона электрического заряда, обусловливающего существование дальнодействующих кулоновских сил между протоном и др. заряженными частицами на таких расстояниях, на которых короткодействующие ядерные силы практически отсутствуют. Если энергия столкновения протона с протоном или атомным ядром ниже высоты кулоновского барьера (которая для тяжелых ядер порядка 15 Мэв ), рассеяние протона происходит в основном за счёт сил электростатического отталкивания, не позволяющих частицам сблизиться до расстояний порядка радиуса действия ядерных сил. Отсутствие у Н. электрического заряда позволяет ему проникать через электронные оболочки атомов и свободно приближаться к атомным ядрам. Именно это обусловливает уникальную способность Н. сравнительно малых энергий вызывать различные ядерные реакции, в том числе реакцию деления тяжёлых ядер. О методах и результатах исследований взаимодействия Н. с ядрами см. в статьях Медленные нейтроны , Нейтронная спектроскопия , Ядра атомного деление , Рассеяние медленных Н. на протонах при энергиях вплоть до 15 Мэв сферически симметрично в системе центра инерции. Это указывает на то, что рассеяние определяется взаимодействием n — р в состоянии относительного движения с орбитальным моментом количества движения l = 0 (так называемая S -волна). Рассеяние в S -cocтоянии является специфически квантовомеханическим явлением, не имеющим аналога в классической механике. Оно превалирует над рассеянием в др. состояниях, когда де-бройлевская длина волны Н.