Современная модель нейтрона

2.4 Современная модель нейтрона

Все элементарные частицы, как мы это узнали в предыдущем разделе, в результате строгих испытаний, получают своеобразный аттестат основных свойств. Это величина и знак заряда, масса, время жизни или период полураспада, спин, или момент количества движения и магнитный момент, а также особенности взаимодействия с ядрами.

Нейтрон сверхплотная частица. Его масса, которая в 1839 раз больше массы электрона, превосходит массу протона на 2,5 электронных массы и равна 1,00876 единиц массы, сосредоточена в очень маленьком объеме сферы с радиусом 1,23×10^-15м. У него огромная плотность: 200млн. тонн в кубическом сантиметре! Чтобы вообразить такую чудовищную плотность, надо представить себе картину: гора Казбек, спрессованная в чайной ложке. Нейтрон во столько же раз меньше виноградинки, диаметр которой равен 1см, во сколько раз пылинка меньше земного шара.

Заряжен ли нейтрон? Нейтроны, пролетая сквозь вещество, почти не вызывают его ионизации. Они не отталкиваются электрическим полем. Поэтому считают, что заряд нейтрона равен нулю. Но тем не менее, нейтрон окружен магнитным полем, и при встрече с намагниченными телами он отклоняется от своего пути. Поток нейтронов легче проникает через ненамагниченные листы железа. Вероятно, нейтрон должен обладать сложной структурой, раз он обладает магнитным моментом. Нейтрон может испускать p-мезон, что означает, что либо нейтрон в результате какого-то процесса превращается в p-мезон и протон, либо нейтрон представляют собой сложную конструкцию, в состав которой входят p-мезоны и, может быть, другие частицы. Эти явления существенно меняют наши преставления об элементарных частицах, как о каких-то однородных кирпичиках, из которых построены вещества, но и нейтрон, и протон действительно являются элементарными частицами в том смысле, что именно из этих частиц построены ядра всех элементов во вселенной.

Но если под словом «элементарный» понимать простой, далее неразделимый,

то в этом смысле ни нейтрон, ни протон элементарными частицами не являются.

Протон – стабильная частица и может существовать вне ядра. Нейтрон в свободном состоянии существует недолго, распадаясь на протон, электрон и частицу, получившую название антинейтрино.

Распад нейтрона был обнаружен в 1950г в опытах физиков А. Снела (США) и Дж. Робсона (Англия). Еще ранее это явление b-распада наблюдалось у ядер радиоактивных изотопов, но что при этом происходит, оставалось загадкой. Энергия электронов, вылетающих при b-распаде, оказывалась неодинаковой, но всегда меньшей, чем рассчитанная теоретически из уравнения энергобаланса. Кроме того, с вылетом электрона, обладающего определенным механическим моментом, момент образовавшегося ядра должен был, казалось бы, уменьшиться как раз на эту величину. Но и здесь эксперимент расходился с теорией. Чтобы устранить это противоречие, швейцарский физик В. Паули в 1931г высказал гипотезу, что при b-распаде ядра, кроме электрона (позитрона[3]), рождается нейтральная частица (частица «невидимка») с массой покоя, равной или близкой к нулю, уносящая часть энергии и обладающая некоторым моментом количества движения. Ферми ее назвал нейтрино. На основе этой гипотезы он построил теорию, по которой b-распад можно рассматривать как превращение одного из нейтронов ядра в протон, электрон и антинейтрино. Позитронный же b-распад – как превращение протона ядра в нейтрон, позитрон и нейтрино.

Нейтрино оказалось всепроникающей частицей, она не регистрируется приборами, потому что она не несет электрического заряда. Значит, она не способна производить ионизацию атомов, расщепить ядра, то есть не может вызвать эффекты, по которым можно судить о появлении частицы. Нелепо утверждать, будто частица, какой бы необычной она ни была, вообще ни с чем не взаимодействует. Иначе введение такой частицы в физику означало бы замаскированный отказ от закона сохранения энергии. Выходило бы, что энергия теряется вместе с частицей безвозвратно и навсегда. Поэтому Паули предположил, что эта частица просто очень слабо взаимодействует с веществом и поэтому может пройти сквозь большую толщу вещества, не обнаружив себя. Счетчики не могли уловить его, так как из миллиона миллиардов нейтрино, проникающих через километровой толщи броню, лишь одно может прореагировать с ядром брони. Нейтрино было обнаружено только через 26 лет после предсказания его существования. Американские физики Райнс и Коуэн установили счетчик с около реактора, в котором распадающиеся нейтроны ежесекундно рождали больше 5×10¹⁹ нейтрино, и зарегистрировали акты взаимодействия их с протонами.

Период полураспада нейтрона, по результатам разных исследований, определяли от 18,8 до 20 минут, но самые точные измерения были проведены советскими ученными П. Е. Спиваком, А. Н. Сосновским и Ю. А. Прокофьевым, которые показали, что время жизни нейтрона в вакууме 11,7 минут или 702 секунды. В этом опыте нейтроны из реактора выпускали в специальную вакуумную трубу. На электрод, расположенный сбоку перпендикулярно оси потока, подавали высокий положительный потенциал. Протоны, возникающие в результате распада нейтронов, отклонялись электрическим полем. Эти протоны, повернув под прямым углом к направлению потока нейтронов, попадали на счетчик, установленный против электрода, и вызывали А отсчётов в минуту. Зная интенсивность потока и определив количество нейтронов, проходящих за минуту мимо электрода N, можно найти постоянную распада нейтрона:

Роль нейтрино не сводится только к объяснению b-распада ядер. Очень многие элементарные частицы в свободном состоянии самопроизвольно распадаются с испусканием нейтрино. Прежде всего, так ведет себя нейтрон. Только в ядрах нейтрон за счет взаимодействия с другими нуклонами приобретает стабильность. Свободный же нейтрон живет в среднем 15 минут. Это было экспериментально доказано лишь после того, как были построены ядерные реакторы, дающие мощные пучки нейтронов.

Как и другие частицы, нейтрино имеет античастицу, называемую антинейтрино. При распаде нейтрона на протон и электрон излучается именно антинейтрино:

Энергия нейтрона больше суммы энергий протона и электрона. Избыточная энергия уносится с антинейтрино.

Распад нейтрона и других частиц представляет собой превращение в мире элементарных частиц, а не разъединение сложной системы на составные части. Отношение частиц-потомков к частице-предку совсем не напоминает отношение разбитого горшка к целому сосуду. В случае распада нейтрона, например, это очевидно: так как антинейтрино существует лишь в движении по прямой со скоростью света, то оно содержаться внутри нейтрона не может. Возникающие же при распаде нейтрона протон и электрон могут образовывать устойчивую систему. Однако это будет хорошо известный и превосходно изученный атом водорода, а не нейтрон.

Так же обстоит дело и с другими частицами, живущими лишь определенный интервал времени. Распад частицы совсем не является признаком того, что она не элементарна. Нейтрон, несмотря на свою нестабильность, считается элементарной частицей, а ядро атома тяжелого водорода – дейтрон, вне всяких сомнений, состоит из нейтрона и протона, хотя и стабилен.

По современным представлениям, нейтрон – это сложное трехслойное образование с ядром-керном и двойной оболочкой в виде p-мезонных облачков, плотность которых убывает к их периферии до нуля.

Нейтроны закутаны в облачные «шубы», состоящие из пионов, которыми они постоянно перебрасываются с соседними протонами. Предполагают, что все три слоя нуклона электрически заряжены. Заряды их неодинаковы. В направлении к периферии у нейтрона существуют электроположительный и электроотрицательный слои и они распределяются следующим образом: от центра до половины потенциалы увеличиваются, затем во второй половине слоя уменьшаются и сходят на нет. Радиус керна порядка 0,1 ферми. Во внутреннем облачке нейтрона с радиусом порядка 0,5 ферми рассеяны пионы двойной массы, так называемые би-пионы. Они представляют собой прочно связанные положительные и отрицательные пионы. Необходимость их существования была предсказана математически, и они были названы ро-мезонами (r-мезоны). Также была обоснована вероятность существования другой частицы, состоящей из трех пионов – положительного, отрицательного и нейтрального, названная омега-мезонами (w-мезон). Эти частицы очень недолговечны, они существуют около 10^-23 секунд, поэтому их называют моментными образованиями. Третий слой нейтрона состоит из этих три-пионных образований.

Было бы ошибкой считать, что только нейтрон имеет такое сложное строение; строение протона не менее сложно, чем нейтрона. В его состав тоже входит положительного знака тяжелый керн, окруженный мезонной оболочкой.

Для изучения структуры нейтрона американские физики Р. Хофштадтер и В. Пановский «просвечивали» дейтерий пучком быстрых электронов, ускоренных до энергии 0,7Гэв[4] и по характеру рассеяния электронов судили о том, какая часть их рассеялась под влиянием нейтронов, а какая часть под влиянием протонов, входящих в состав дейтерия.

Дейтерий представляет довольно «рыхлую» систему, в которой протон удален от нейтрона на сравнительно большое расстояние. На рис 4 показаны распределения электрического заряда и магнитного момента как функции расстояния от центра нейтрона. В нейтроне при простреливании его электронами обнаруживаются разноименно заряженные слои, которые нейтрализуют друг друга. Эти слои состоят из одних и тех же заряженных p-мезонных облаков, действие которых усиливается в случае протона и ослабляется в случае нейтрона.

Одним из первых, кто вместо α-частиц решил использовать нейтроны для обстрела ядер атомов, был молодой итальянский ученный Энрико Ферми. В скромной лаборатории Римского университета Ферми со студентами собрал первую установку для изучению ядерных реакций, вызываемых нейтронами.

Допустим, что бомбардируют нейтронами изотоп натрия с массовым числом 23, ядро которого содержит 11 протонов и 12 нейтронов. При поглощении нейтрона ядром атома натрия-23 энергия ядра увеличивается, оно находится в возбужденном состоянии. При этом потенциальная энергия ядра увеличивается. Такое возбужденное ядро неустойчиво. Избыток энергии возбужденное ядро может выделить путем испускания какой-либо частицы. Реакция идет следующим образом:

²³Na+n→^24*Na

Ядро ^24*Na, находясь в возбужденном состоянии, существует лишь как мгновенная переходная форма (что и изображено звездочкой справа) и распадается с испусканием какой-либо частицы, уносящей избыток энергии. Реакция может произойти в таких вариантах:

Исход реакции зависит от избытка энергии в возбужденном ядре. Так как связь частицы с ядром велика, то может оказаться, что энергии возбуждения ядра недостаточно на испускание частицы. Тогда энергия связи нейтрона выделится в виде γ-кванта:

₁₁^24*Na→₁₁²⁴Na+ γ

Характер этого так называемого «захватного» излучения меняется у различных элементов. Поэтому удается определить какой изотоп возникает. Ядро ₁₁²⁴Na «перегружено» нейтронами и не может долго существовать. В нем должны произойти какие-то изменения для того, чтобы оно вновь стало стабильным. Прежде всего, если бы нейтрон вылетел из ядра, то ядро снова стало бы стабильным ₁₁²³Na. Но это уже не возможно. Нейтрон не может преодолеть силы сцепления в ядре и вылететь наружу, так как энергия связи уже выделилась в виде γ-излучения. В таблице стабильных изотопов существует элемент, у которого есть стабильный изотоп – 24. Отличается он от радиоактивного тем, что в нем число протонов на 1 больше и число нейтронов на единицу меньше. Масса ядра ₁₁²⁴Na на ничтожную долю больше массы ₁₂²⁴Mg. Это означает, что собственная энергия у ₁₂²⁴Mg меньше чем у ₁₁²⁴Na. То есть при превращении ядра ₁₁²⁴Naв ядро ₁₂²⁴Mg должна выделится энергия. Следовательно, такой процесс может происходить произвольно. Это и есть процесс искусственной радиоактивности, вызванный нейтронами:

₁₁²³Na+n^*→₁₁^24*Na→₁₂²⁴Mg+β^-+ν

Причем энергия, уносимая β-частицей а антинейтрино, равна разности энергии ядер: исходного ₁₁²⁴Na и дочернего ₁₂²⁴Mg.

Вначале результаты опытов Ферми были не очень обнадеживающими. При бомбардировке легких элементов новые радиоактивные изотопы получены не были. Были испробованы водород, литий , бериллий, бор, углерод… Никаких результатов. Но когда дело дошло до фтора, то сразу получили очень радиоактивный изотоп. Период полураспада его был около 10 секунд. После этого почти каждый день обнаруживали новый радиоактивный изотоп.

Источник нейтронов приходилось держать достаточно далеко от гейгеровских счетчиков, так как на фоне сильного γ-излучения, свойственного этим источникам нейтронов, нельзя было заметить слабую наведенную радиоактивность. Поэтому счетчики и источник нейтронов были размещены в разных концах длинного коридора. Количества получаемых веществ были столь ничтожны, что ни одним из обычных химических методов анализа нельзя было воспользоваться, поэтому для определения получаемых веществ был разработан новый метод анализа.

Сущность этого метода сводилась к следующему: когда облучали нейтронами, например, железо, предполагали, что возникающая при этом активность обусловлена или радиоактивным изотопом железа, или радиоактивным изотопом какого-либо другого элемента, мало отличающегося от железа по атомному номеру. Добавляя к раствору железа соли элементов, расположенных в таблице Менделеева по соседству с ним, например солей марганца, хрома и кобальта, путем обычных химических методов отделяли от железа эти элементы и определяли, какое из них оказывалось активным. В примере с железом активным оказался раствор с марганцем. Это означает, что при облучении железа нейтронами был получен радиоактивный изотоп марганца.

Но однажды нормальная работа лаборатории была нарушена неожиданностью. В то утро Бруно Понтекорво со своим другом Амальди облучали серебро. Поместив полый серебряный цилиндрик с источником нейтронов в свинцовый ящик, Понтекорво с удивлением обнаружил, что величина полученной активности зависит от того, где находится цилиндрик – в середине ящика или в углу. Попробовали облучать серебро, вне ящика, и тут начались чудеса. Выяснилось, что предметы, находящиеся вблизи от серебра, способны влиять на его активность. При облучении серебряного цилиндра на деревянном столе его активность была больше, чем на мраморном или металлическом. Вся лаборатория вместе с Ферми начала исследовать это загадочное явление. Пробовали различные вещества и смотрели, какие из них способствуют увеличению активности серебра. Взяли большой кусок парафина, внутрь него поместили источник нейтронов. Облучили серебряный цилиндрик. Когда затем этот цилиндрик поднесли к счетчику, то счетчик, к с цепи сорвался, затрещал словно пулемет. Парафин увеличивал искусственную радиоактивность в сотни раз. Ферми предположил, что среда из легких атомов увеличивает активность нейтронов. И действительно, поместив серебряный цилиндрик и источник нейтронов в воду бассейна, обнаружили, что вода тоже во много раз увеличивала искусственную радиоактивность серебра.

Чтобы оценить способность той или иной частицы вызывать ядерную реакцию, необходимо иметь какую-нибудь величину, с помощью которой можно было бы численно выразить эту способность. Такой величиной в физике является эффективное поперечное сечение ядра. Сечение рассматривают как элементарную площадку, которую один нуклон подставляет при встрече другому.

Если бы каждое соударение частицы и ядра приводило бы к ядерной реакции, то вероятность такой реакции была бы равна вероятности столкновений ядра и частицы. Но не каждое столкновение приводит к ядерной реакции, поэтому вероятность ядерной реакции будет еще меньше, чем вероятность столкновения. Условно это можно рассматривать как кажущееся уменьшение сечения ядра, из-за чего столкновения делаются более редкими. В большинстве случаев величина поперечного сечения реакций с быстрыми нейтронами незначительно отличается от геометрического поперечного сечения ядра. Так как диаметр ядра составляет примерно 10^-12см, то поперечное его сечение () удобно измерять в единицах, равных 10^-24см². Это величина носит название барн.

Когда мы говорим об эффективном сечении, мы предполагаем, что оно может быть меньше геометрического сечения ядра. Если нейтроны будут находится в тепловом равновесии с замедлителем, то они называются тепловыми нейтронами. Для них оказалось, что эффективное сечение реакции может в тысячи раз превышать геометрическое сечение ядра. Этот факт свидетельствует о том, что в случае медленных нейтронов уже нельзя рассматривать взаимодействие нейтрона с ядром как упругое соударение двух шариков. Ряд понятий «классической механики» пришлось пересматривать, когда исследования коснулись недр атома. Это оказалось связано, прежде всего, с волновыми свойствами частиц. Французский физик Луи де Бройль предположил, что каждой движущейся частице можно сопоставить некую волну, длина которой определяется по формуле:

,

где h – постоянная Планка, равная 6,62·10^-27эрг·с.

Посмотрим какова будет длина волны дробинки массой 1г, летящей со скоростью 600м/с:

см

Столь ничтожна величина длины волны по сравнению с размерами самой дробинки не оказывает никакого влияния, и ее волновые свойства ни в чем не проявляются.

Рассмотрим теперь быстрый нейтрон, имеющий массу m=1,67·10^-24кг и энергию 1Мэв. Тогда, определив из формулы , его импульс  и подставляя его в формулу де Бройля:

Отсюда мы получаем, что длина волны де Бройля для быстрого нейтрона с энергией 1Мэв будет равна λ=2,86·10^-13см.

Как мы видим, длина волны такого быстрого нейтрона не превосходит размеров ядра, и поэтому он ведет себя при столкновениях, как частица.

 Определим теперь длину волны теплового нейтрона. Нейтрон, замедлившийся до тепловых скоростей, имеет энергию E=kT, где k – постоянная Больцмана, равная 8,61·10^-5эв/градус.

Поэтому нейтрон, замедлившийся до комнатной температуры, имеет энергию E_т=8,6·10^-5·290^º=0,025эв. Для него длина волны равна:

Таким образом, длина волны теплового нейтрона много больше размеров ядра (почти в 60000 раз) и становится сравнимой с размерами атома (d=10^-8 см). Даже при энергии 1000эВ длина волны нейтрона, то есть его эффективный диаметр, много больше размеров ядра.

Явления быстрого возрастания эффективного сечения ядра при определенных скоростях нейтронов получило название резонанса. При этом особенно интенсивно происходит передача энергии.