Нейтроны

Нейтрон
Символ	$n^{0}\,\!$
Масса	939,565530(38) МэВ, 1,008 а.е.м, 1,675*10^-27 кг
Античастица	$\bar{n}^{0}\,\!$
Классы	фермион, адрон, барион, N-барион, нуклон
Квантовые числа
Электрический заряд	0
Спин	1/2
Изотопический спин	1/2
Барионное число	1
Странность	0
Очарование	0
Другие свойства
Время жизни	885,7(8) c
Схема распада	$p^+ + e^- + \bar{\nu}_e$
Кварковый состав	udd

Нейтро́н — элементарная частица, не имеющая заряда. Нейтрон принадлежит к классу барионов.

Не следует путать с нейроном.

Открытие

Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за которое он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он).

Основные характеристики

• Масса: 939,565360(81) МэВ (1,6749485×10⁻²⁴ г, 1,00866491560(55) а.е.м.), что примерно на 0,14 % больше, чем масса протона
• Спин: 1/2 (фермион)
• Время жизни в свободном состоянии: 885,7 ± 0,8 секунды (период полураспада — 614 секунд)
• Магнитный момент: −1,91304273(45) ядерного магнетона

Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном.

Строение и распад

Считается установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Поразительная близость масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.

Поскольку нейтрон всё же тяжелее протона, то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни примерно в миллиард раз больше времени жизни мюона — следующей за нейтроном метастабильной частице по времени жизни.

Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном порядка 1,3 МэВ невелика по меркам ядерной физики. В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным.

Изоспины нейтрона и протона одинаковы (1/2), но их проекции противоположны по знаку. Проекция изоспина нейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной −1/2, в ядерной физике +1/2 (поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).

Направления исследований в физике нейтронов

Фундаментальные исследования

• возможность существования тетра-нейтронов и иных связанных состояний из одних только нейтронов
• изучение возможных нейтрон-антинейтронных осцилляций
• поиск электрического дипольного момента нейтрона
• изучение свойств сильно нейтроно-избыточных лёгких ядер

Прикладные исследования

• получение и хранение холодных нейтронов
• влияние потоков нейтронов на живые ткани и организмы
• влияние сверхмощных потоков нейтронов на свойства материалов
• изучение распространения нейтронов в различных средах
• изучение различных типов структуры в физике конденсированных сред
• нейтронно-дифракционный анализ
• нейтронно-активационный анализ

См. также

• Спектр нейтронов
• Бета-распад нейтрона
• Свободный нейтрон
• Нейтроний
• Нейтронная физика
• Нейтронная оптика
• Ядерная реакция

Ссылки

• Экспериментальные свойства нейтронов (сайт Particle Data Group, англ.).

Частицы в физике — составные частицы

Адроны: Барионы (список) | Мезоны (список) Барионы: Нуклоны(Протон, Нейтрон) | Гипероны | Экзотические барионы | Пентакварки Мезоны: Пионы | Каоны | Кварконий | Экзотические мезоны Атомные ядра | Атомы (Периодическая система элементов) | Молекулы