ModernLib.Net


:: Joyce James
::
::
::
::
::
::
::
:: .
::


:: The Boarding House
::
::
::
::
::
::
:: Windows XP
::
::


, ,

 

()

ModernLib.Net / / / () - (. 24)
:
:

 

 

 Для неупругих процессов ситуация более сложная. М. А. Марков высказал предположение, что полное сечение взаимодействия Н. с нуклоном, несмотря на «обрезание» сечения в каждом отдельном канале реакции, должно расти линейно с возрастанием энергии (в л. с.) из-за неограниченного роста числа возможных каналов. В рамках определённых предположений это было доказано американскими учёными С. Адлером и Дж. Бьёрксном. Как показал Р. Фейнман, такая зависимость сечения от энергии возможна, если нуклон представляет собой облако точечных частиц («партонов»). Измерения, проведённые в ЦЕРНе, согласуются с линейным ростом полного сечения в области E n= 1-10 Гэв:s n= (0,69 ± 0,05)·10 -38E n см 2(в формуле энергия E n, выражена в Гэв). Получены также данные в опытах с Н. космических лучей при энергии 10-100 Гэв:s n= (0,55 ± 0,15)·10 -38 E n см 2.Первые результаты, полученные в Национальной ускорительной лаборатории США (Батавия), не противоречат линейному росту сечения до E n~40 Гэв.Т. о., все данные согласуются с линейным ростом полного сечения взаимодействия Н. с нуклоном при E nЈ 100 Гэв.Высказывалось предположение, что сечение может линейно расти с энергией вплоть до геометрических размеров нуклона (~ 10 -26 см 2) .

 Существует теория, отличная от теории Ферми, в которой слабое взаимодействие осуществляется за счёт обмена так называемым промежуточным бозоном. В этой теории сечение взаимодействия Н. как с лептонами, так и с адронами должно «обрезаться» при высоких энергиях, причём энергия «обрезания» определяется массой промежуточного бозона.

  В 1973 впервые (ЦЕРН) в пузырьковой камере наблюдалось около сотни случаев взаимодействия n mи  с ядрами с рождением адронов без образования мюонов, а также (1974) несколько случаев рассеяния  на электроне. Это, по-видимому, свидетельствует о существовании нового типа взаимодействия Н. с адронами и лептонами через так называемые нейтральные токи. Существование подобных взаимодействий вытекает, в частности, из объединённой теории слабых и электромагнитных взаимодействий (см. Слабые взаимодействия ) .

 Во всех перечисленных выше экспериментах Н. выступает в роли инструмента исследования структуры элементарных частиц.

  Естественные источники нейтрино

  Естественная радиоактивность.Любое космическое тело, в том числе Земля, содержит значительное количество радиоактивных элементов и является источником Н. Регистрация антинейтрино от Земли в принципе возможна, однако методы регистрации ещё не разработаны.

  Столкновение протонов космических лучей с газом и реликтовыми фотонами может приводить к рождению заряженных p-мезонов, распад которых сопровождается испусканием Н. (или антинейтрино). В этом механизме возможна генерация Н. с энергиями вплоть до Е n= 10 20 эв.Источником таких Н. является атмосфера Земли, а также ядро и диск Галактики, где сосредоточена основная масса межзвёздного газа. Н. от столкновения протонов сверхвысоких энергий с реликтовыми фотонами испускаются во всём мировом пространстве. Существует гипотеза, что Н. сверхвысоких энергий являются причиной сверхмощных широких атмосферных ливней (см. Космические лучи ) .

 Атмосфера Земли - пока единственный естественный источник, от которого удалось зарегистрировать Н. Рождаются Н. в верхних слоях атмосферы, где генерируется наибольшее число p- и К-мезонов. Впервые идея экспериментов с Н. космических лучей была высказана М. А. Марковым (1960). Было предложено регистрировать глубоко под землёй мюоны с энергией 10-100 Гэвот реакции n m+ n ® р + m -(**). Регистрируя мюоны из нижней полусферы Земли и под большими зенитными углами, можно избавиться от фона атмосферных мюонов и иметь чистые нейтринные события (**). Первые результаты получены в Индии и в Южной Африке в 1965 с помощью специальных нейтринных телескопов ( рис. 4 ). К 1973 мировая статистика насчитывала свыше сотни нейтринных событий.

  Реакции термоядерного синтезахимических элементов - основной механизм генерации Н. в недрах Солнца и большей части звёзд (в период их «ядерной» эволюции).

  Сверхгорячая плазмаслужит источником Н. в звёздах на завершающих этапах эволюции, а также в модели горячей Вселенной в первые доли секунды её возникновения. Возможны два вида генерации Н. Первый связан с реакциями взаимного превращения нуклонов

(так называемый урка-процесс) и может идти как на связанных нуклонах ядер при температурах Т~ 10 9К, так и на свободных нуклонах при Т³ 10 10К. Второй способ, чисто лептонный, связан с реакциями типа

а также с реакциями

(фоторождение Н.),

(нейтринная аннигиляция электрон-позитронных пар) и др., которые происходят, если существует гипотетическое рассеяние n e+ е ® n e+ e (предсказываемое теорией Ферми). Пока не удалось доказать существование n e+ е ® n e+ е - рассеяния лабораторными методами (на Н. от реакторов и ускорителей); считается, что астрофизические данные свидетельствуют в пользу существования такого процесса.

  Реликтовые Н. Согласно модели горячей Вселенной, Н., испущенные в момент её возникновения, испытывают сильное красное смещение при космологическом расширении Вселенной. Такие реликтовые Н. заполняют всё мировое пространство. В наиболее реалистическом варианте модели горячей Вселенной число мюонных и электронных Н. и антинейтрино одинаково и составляет ~ 200 частиц/см 3, а средняя энергия Н. - (2-3)Ч10 -4 эв,что соответствует температуре нейтринного газа 2-3 К. Для понимания механизма развития Вселенной очень важно экспериментально установить наличие реликтовых Н. и измерить температуру нейтринного газа.

  В рамках модели горячей Вселенной удаётся получить наилучшую оценку для массы мюонного Н. Согласно космологическим данным, плотность материи в расширяющейся Вселенной не может превышать 10 -28 г/см 3;отсюда следует, что максимально возможная масса мюонного Н. составляет ~ 300 эв(т. е. значительно ниже верхнего предела, установленного лабораторными методами).

  Нейтронизация вещества,т. е. превращение протонов в нейтроны по схеме р + е -® n + n e, может служить мощным источником Н., когда звезда по каким-либо причинам теряет гравитационную устойчивость и коллапсирует, превращаясь в нейтронную звезду.При этом огромное число Н., равное по порядку величины числу протонов в звезде (~ 10 57), испускается за сотые доли сек.Если коллапсирует горячая звезда, нейтронизация происходит совместно с процессами, характерными для горячей плазмы. Такая ситуация возможна при взрывах сверхновых и при коллапсе гравитационном.

  О возможности регистрации Н. от Солнца и др. звёзд см. Нейтринная астрономия.

 Развитие науки о Н. за последние четверть века убедительно доказало, что Н. из гипотетической частицы превратилось в мощный инструмент исследования микро- и макромира.

  Лит.:Аллен Дж., Нейтрино, пер. с англ., М., 1960; Алиханов А. И., Слабые взаимодействия. Новейшие исследования b-распада, М., 1960; Теоретическая физика 20 века, М., 1962; Окунь Л. Б., Слабое взаимодействие элементарных частиц, М., 1963; Понтекорво Б. М., Нейтрино и его роль в астрофизике, «Успехи физических наук», 1963, т. 79, в. 1, с. 3; Марков М. А., Нейтрино, М., 1964; Железных И. М., Подземные нейтринные эксперименты, «Успехи физических наук». 1966, т. 89, в. 3, с. 513; Ли Ц. и Ву Ц., Слабые взаимодействия, пер. с англ., М., 1968; Бугаев Э. В., Котов Ю. Д., Розенталь И. Л., Космические мюоны и нейтрино, М., 1970; Березинский В. С., Нейтрино, М., 1973.

  Г. Т. Зацепим, Ю. С. Копысов.

Рис. 1. Схема опыта Ф. Райнеса и К. Коуэна (1958) на реакторе в Саванна-Ривер, США: 1 - жидкий сцинтилляционный детектор (1400 л) для регистрации антинейтрино; 2 - сцинтилляционный детектор для регистрации фона космических лучей, включенный на антисовпадения с детектором 1; 3 - две группы фотоумножителей, включенные на совпадение; 4 - электронная аппаратура; 5 - двухлучевой осциллограф; 6 - свинцовый и парафиновый экраны для защиты от излучений реактора.

Рис. 2. Схема эксперимента амер. физиков М. Гольдхабера, Л. Гродзинса и С. Суньяра по измерению спиральности нейтрино. Радиоактивный препарат 152E um(J p= 0 -) 1 (где J - спин, p - чётность ядра) испускает в процессе К-захвата нейтрино. Образующееся возбуждённое ядро 152Sm*(1 -) испускает g-квант [превращаясь в ядро 152Sm(0 +)], который, пройдя через магнитный анализатор 2 (представляющий собой намагниченное железо) для определения круговой поляризации -квантов, испытывает резонансное рассеяние на ядрах 152Sm(0+) 3. Условие резонанса выполняется только в том случае, если ядро Sm после испускания g-кванта имеет малый импульс отдачи, т. е. если нейтрино и g-квант испускаются в противоположных направлениях. В этом случае g-квант и нейтрино должны иметь одинаковый знак спиральности. Сцинтилляционный детектор Nal 4 считает число g-квантов N +и N -, рассеянных при направлениях магнитного поля по и против движения нейтрино. Теоретическое значение (N -- N +)/2(N -+ N +) = +0,025 для левовинтовой и -0,025 для правовинтовых спиральностей нейтрино; экспериментальное значение равно +0,017 ± 0,003, что согласуется со 100%-ной левовинтовой спиральностью нейтрино, если учесть все возможные эффекты деполяризации g-квантов. (Свинцовая защита 5 предохраняет детектор 4 от прямого попадания g-квантов.)

Рис. 4. а - схема нейтринного телескопа, установленного в шахте Южной Индии на глубине около 2300 м: 1 - пластические сцинтилляционные элементы, площадью 1 м 2, каждый из которых просматривается двумя фотоумножителями 2; регистрируются четырёхкратные совпадения между парой фотоумножителей на одной стороне и любой парой - на другой; между сцинтилляторами установлено неск. слоев неоновых трубок 3 для фотографирования следов заряженных частиц, образованных нейтрино; 4 свинцовые поглотители толщиной 2,5 см; б - случай неупругого взаимодействия нейтрино, пришедшего из нижней полусферы Земли; 5, 6 - следы, оставленные, по-видимому, мюоном и пи-мезоном, которые образовались внутри скалы при столкновении n mс нуклоном.

Рис. 3. При отражении в зеркале (пространственной инверсии) левое нейтрино n лпереходит в несуществующее состояние правого нейтрино n п(а). Реальное состояние получается при одновременном (с отражением) переходе от частицы к античастице, при этом n лпереходит в правое антинейтрино n п(б).

Нейтрон

Нейтро'н(англ. neutron, от лат. neuter - ни тот, ни другой; символ n), нейтральная (не обладающая электрическим зарядом) элементарная частица со спином 1/ 2(в единицах постоянной Планка ) и массой, незначительно превышающей массу протона. Из протонов и Н. построены все ядра атомные.Магнитный момент Н. равен примерно двум ядерным магнетонам и отрицателен, т. е. направлен противоположно механическому, спиновому, моменту количества движения. Н. относятся к классу сильно взаимодействующих частиц (адронов) и входят в группу барионов, т. е. обладают особой внутренней характеристикой - барионным зарядом,равным, как и у протона (р), + 1. Н. были открыты в 1932 английским физиком Дж. Чедвиком,который установил, что обнаруженное немецкими физиками В. Боте и Г. Бекером проникающее излучение, возникающее при бомбардировке атомных ядер (в частности, бериллия) a-частицами, состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона.

  Н. устойчивы только в составе стабильных атомных ядер. Свободный Н. - нестабильная частица, распадающаяся на протон, электрон (е -) и электронное антинейтрино :

среднее время жизни Н. t » 16 мин.В веществе свободные Н. существуют ещё меньше (в плотных веществах единицы - сотни мксек) вследствие их сильного поглощения ядрами. Поэтому свободные Н. возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций (см. Нейтронные источники ) .В свою очередь, свободный Н. способен взаимодействовать с атомными ядрами, вплоть до самых тяжёлых; исчезая, Н. вызывает ту или иную ядерную реакцию, из которых особое значение имеет деление тяжёлых ядер, а также радиационный захват Н., приводящий в ряде случаев к образованию радиоактивных изотопов. Большая эффективность Н. в осуществлении ядерных реакций, своеобразие взаимодействия с веществом совсем медленных Н. (резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т.п.) делают Н. исключительно важным орудием исследования в ядерной физике и физике твёрдого тела. В практических приложениях Н. играют ключевую роль в ядерной энергетике производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов (искусственная радиоактивность), а также широко используются в химическом анализе ( активационный анализ ) и в геологической разведке ( нейтронный каротаж ) .

 В зависимости от энергии Н. принята их условная классификация: ультрахолодные Н. (до 10 -7 эв) ,очень холодные (10 -7-10 -4эв), холодные (10 -4-5Ч10 -3 эв) ,тепловые (5Ч10 -3-0,5 эв), резонансные (0,5-10 4 эв) ,промежуточные (10 4-10 5 эв) ,быстрые (10 5-10 8 эв) ,высокоэнергичные (10 8-10 10 эв) и релятивистские (³ 10 10эв); все Н. с энергией до 10 5 эвобъединяют 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: m n- m р= (1,29344 ± 0,00007) Мэв,измеренная по энергетическому балансу различных ядерных реакций. Из сопоставления этой величины с массой протона получается (в энергетических единицах)

m n= (939,5527 ± 0,0052) Мэв;

это соответствует m n» 1,6·10 -24 г,или m n» 1840 m е,где m е-масса электрона.

  Спин и статистика.Значение 1/ 2для 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 2 J  + 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 Qпо 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) 2 I+ 1 = 2 значения: + 1/ 2и - 1/ 2. Т. о., n и р образуют изотопический дублет (см. Изотопическая инвариантность ) :нуклон в состоянии с проекцией изотопического спина на ось квантования + 1/ 2является 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 зарядL= 0, странностьS= 0 и положительную внутреннюю чётность.

  • :
    1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91

    		•