Масса нейтрона.

Масса нейтрона может быть определена различными способами. Первое определение m_n было сделано Чэдвиком по измерению энергии ядер отдачи, образующихся при столкновении нейтронов с ядрами водорода и азота. Этот метод позволил определить лишь то, что масса нейтрона примерно равна массе протона.

Нейтрон не имеет заряда, поэтому обычные методы определения массы атомов (масс-спектроскопия, химические методы) к нейтрону не применимы. Все измерения массы нейтрона основывались на методе анализа энергетического баланса различных ядерных реакций с участием нейтронов. Вскоре после открытия нейтрона для определения его массы были использованы в реакциях ¹¹B(α, n)¹⁴N и ⁷Li(α, n)¹⁰B.

В настоящее время разница масс протона и нейтрона достаточно точно определена с помощью эндоэнергетической реакции ³H+p→ n+³He и методом, основанным на измерении разницы масс дейтрона и молекулы водорода, а также энергии связи дейтрона. Для реакции ³H(p, n)³He закон сохранения энергии можно записать в виде

(1)

где Q – энергия реакции, а под обозначениями атомов и частиц следует понимать их энергию покоя. С помощью соотношения для энергии реакции

Q=(m₂/(m₁+m₂))*E_T*(1-0.5(m₂E_T/((m₁+m₂)²*c²))), (2)

Где m₁ и m₂ – массы протона и тритона. Было найдено значение Q=-(763, 77±0, 08) кэВ [1].

Разность масс нейтрона и атома водорода можно получить, зная максимальную энергию β -частиц E_β при распаде трития:

(m_n-M_H)c²=E_β (1+m₀/m₃)-Q+E_H, (3)

где m₃ – масса ядра ³He; m₀ – масса покоя электрона; E_H – энергия связи электрона в атоме водорода; M_H – масса атома водорода, масса антинейтрино принята равной нулю. Усредняя известные данные, для E_β можно найти значение (18, 56±0, 05) кэВ. В результате разность масс нейтрона и протона оказывается равной δ m_n-p=(1293, 0±0, 1) кэВ.

Один из наиболее точных методов основан на использовании реакции радиационного захвата тепловых нейтронов протонами:

(4)

Если протон неподвижен, то закон сохранения энергии для этой реакции

(5)

T_n, T_d - кинетические энергии нейтрона и протона. При T_n ≈ 0 (например, для тепловых нейтронов кинетическая энергия T_n = 0, 025 эВ) кинетической энергией нейтронов можно пренебречь. Исходя из закона сохранения импульса для кинетической энергии дейтрона можно получить следующее выражение; . В настоящее время энергия γ -квантов измерена с большой точностью E_γ = 2223.25 кэВ. Энергия связи дейтрона . Массы протона и дейтрона m_d и m_p измеряются с хорошей точностью с помощью масс-спектрометра, оценка даёт величину T_d = 1.3 кэВ. Отсюда можно вычислить массу нейтрона. Наиболее точное значение массы нейтрона равно (1981 г.): m_n = 939, 5731(27)МэВ. В скобках указана ошибка в двух последних цифрах.

Масса нейтрона на 1.293 МэВ больше массы протона. Поэтому нейтрон является β -активной частицей с временем жизни 885.4 секунды. В свободном состоянии нейтроны практически отсутствуют, если не считать небольшого количества, рождающегося под действием космических лучей.

Процесс β -распада свободного нейтрона можно представить в виде:

(7)

Этот процесс энергетически возможен, так как суммарная масса частиц, входящих в правую часть уравнения, меньше массы нейтрона. В кварковой модели распад нейтрона является следствием более фундаментального процесса превращения d-кварка: d→ u+e^-+ . Изучение β -распада свободного нейтрона дает возможность получить информацию о слабом взаимодействии, ответственном за его распад. При этом, то обстоятельство, что изучается распад элементарной частицы, позволяет избавиться от влияния на процесс распада ядерных эффектов.

Измерение времени жизни нейтрона по отношению к β -распаду дает ценную информацию для физики слабых взаимодействий, астрофизики и космологии. В космологии период полураспада нейтрона прямо связан со скоростью образования гелия в начальном периоде существования Вселенной. Знание периода полураспада нейтрона необходимо для правильного понимания физических процессов, идущих на Солнце.

Электрический заряд нейтрона с огромной степенью точности (~10^-20 е, е - заряд электрона) равен нулю. Отличие от нуля магнитного момента нейтрона свидетельствует о его внутренней структуре. Для исследования структуры нуклонов необходимо, чтобы де-бройлевская длина волны (λ = 2 ћ/p) зондирующих частиц была мала по сравнению с размерами нуклонов. Эти условия оказалось возможным выполнить с помощью рассеяния на нуклонах быстрых электронов (~100 МэВ).

Нейтрон может обладать дипольным моментом. Это возможно, если в природе не выполняется инвариантность по отношению к обращению времени.

Хотя нейтрон в целом нейтрален, он имеет сложное внутреннее распределение заряда, что проявляется во взаимодействии нейтронов с электронами.

Можно подвести итог первой главы.

Нейтрон – это нейтральная (z = 0) дираковская частица со спином и отрицательным магнитным моментом (в единицах ядерного магнитного момента) , который в основном определяет электромагнитное взаимодействие нейтрона. Так же, как и протону, нейтрону приписывают единичный барионный заряд Y_n = +1 и положительную четность P_n=+1.

Масса нейтрона составляет m_n = 1, 00866491578 ± 0.00000000055 а.е.м. = 939, 56633 ± 0.00004 МэВ, что на 1, 2933318 ± 0.0000005 МэВ больше массы протона. В связи с этим нейтрон является β -радиоактивной частицей. С временем жизни τ = 885.4 ± 0.9(стат.) ± 0.4(сист.) сек он распадается по схеме (7). Здесь приведены данные 2000 г.