Поэтому обычно измеряют , например Чедвик в своих экспериментах по фоторасщеплению г- лучами ( ) регистрировал треки протонов в камере Вильсона.
Более точно энергия связи определяется в реакции при захвате медленных нейтронов протоками. При этом испускаются г-лучи с энергией равной , если все частицы являются покоящимися. Для этой реакции отпадает необходимость измерять кинетическую энергию нейтрона. Энергия г-лучей измерялась линзовым магнитным спектрометром путем сравнения с энергией
г-лучей RaC.
.
Современное значение в единицах массы углеродной шкалы:
в единицах кислородной шкалы
.
В 1961 г. Международный Союз по чистой и прикладной химии утвердил углеродную единицу массы, = 1/12 части массы нейтрона атома изотопа . Новая единица очень мало отличается от старой, но более удобна для измерения масс методом масс - спектроскопических дублетов, так как С дает гораздо > различных соединений, чем кислород.
§ 1.3 Нейтрон в гравитационном поле
В 1951 году был проведен первый эксперимент по непосредственному измерению величины ускорения нейтрона в поле земного тяготения. Макс Рейнольдс исследовал эффект «свободного падения» медленных нейтронов, летящих в горизонтальном направлении.
Рис. 1.5
В опыте использовались хорошо коллимированные пучки тепловых и холодных нейтронов (последние получались фильтрованием через BeO). Целью опыта было наблюдение искривления горизонтального пучка, проходящего на пролетном расстоянии 12 см в результате действия сил тяготения. Для этого в конце пролетного расстояния измерялись, и затем сравнивались друг с другом распределения числа нейтронов в пучке на высоте для тепловых и для холодных нейтронов. Эти распределения, приведенные к одинаковому максимуму интенсивности, имеют следующий вид:
Рис. 1.6
Поскольку средняя скорость нейтронов меньше средней скорости тепловых, то поэтому силы тяготения обуславливать большее отклонение пучка холодных нейтронов. В итоге, получаются смещенные друг относительно друга распределения.
Измеряя разницу между положениями максимумов распределений (эта разница оказалась несколько мм) и учитывая геометрию коллиматора и распределение нейтронов по скорости в каждом пучке, можно рассчитать по известным формулам классической механики величину ускорения земного тяготения для нейтрона. Результаты опыта позволили получить следующее значение:
g= (935±70) см/сек2
С учетом погрешности эта величина согласуется с общественным значением ускорения в поле земного тяготения. Измерения Рейнольдса интересны в том отношении, что они определенно указывают на наличие эффекта свободного падения нейтрона в поле тяготения. Это означает, что нейтрону действительно свойственно гравитационное взаимодействие.
Позднее (в 1962 г.) в опытах Дабса измерения величины ускорения нейтрона в поле тяготения были повторены на установке, запускающей значительное улучшение разрешения. Было использовано пролетное расстояние не 12 см., а
180 см. В результате, расхождение пучков холодных и тепловых нейтронов в конце пролета оказалось равным 14,5 см расчет ускорения, выполненный по данным этих измерений, привел к значению g=979,7 см/сек2.
Следовательно, прямые измерения с точностью 0,3% доказывают, что ускорение свободного нейтрона в гравитационном поле земли такое же, как и у всех прочих тел.
Это вполне согласуется с результатами опытов Этвеша и Дике, доказавших эквивалентность гравитационной и инерциальной масс со значительно более высокой точностью. Принцип эквивалентности лежит в основе общей теории относительности.
В хорошо известных опытах Этвеша с точностью до 10-8 доказана эквивалентность инерционной и гравитационной масс у легких и тяжелых элементов. Позднее Дике довел точность подобных измерений до 10-10.
§1.4 Электрический заряд нейтрона
Электрический заряд элементарной частицы может пониматься в 2-х разных смыслах. С одной стороны, это может быть целочисленное квантовое число, сохранение которого ограничивает возможные виды превращения частиц, с другой стороны, под электрическим зарядом частицы можно понимать некоторую количественную меру взаимодействия этой частицы с электромагнитным полем. В первом смысле как квантовое число заряд нейтрона равно нулю, однако, во втором смысле он может оказаться отличным от нуля. Исследование вопроса об электрическом заряде нейтрона в этом втором смысле (как меры взаимодействия нейтрона с электромагнитным полем) представляет большой физический интерес.
Количественная оценка верхнего предела величины заряда нейтрона была проделана Уоке в 1932 году. В опытах Ди, проведенных вслед за опытами Чедвика, наблюдая прохождение нейтронов в газе камеры Вильсона, Ди установил, что нейтрон создает не больше одной пары ионов (т.е. почти не создает ионизации) на длине пути 3 см есть много других фактов, говорящих о нейтральности нейтронов:
-исключительно низкая ионизационная способность;
-весьма малая величина взаимодействия между нейтроном и электроном;
-высокая степень электрической нейтральности атомов и большие массы вещества оказываются нейтральными*.
Все эти факты приводят к очень низкой оценке вероятной низкой границы заряда нейтрона. Так, например, из нейтральности атомов была получена величина ?10-12е.
Следует подчеркнуть, это все косвенные методы оценки верхней границы заряда нейтрона, являющиеся неточными. Поэтому, не удивительно, что получаемые с помощью этих методов значения верхней границы заряда, хотя и являются все <<е, однако, существенно отличаются одна от другой.
*Кертисс:
Тот факт, что все атомы по всей периодической таблице являются электрически нейтральными вопреки различным комбинациям протонов и нейтронов в ядрах, подтверждает мысль об отсутствии заряда у нейтрона. Любое другое предположение приводит к значительной трудности в объяснении полной нейтральности атома.
Если вопрос о длительном моменте нейтрона заключается в том, какова его величина, а само существование подразумевается почти несомненным, но для предположения о возможности существования у нейтрона электрического заряда нет никаких теоретических оснований. Можно сказать, что заряд нейтрона пока теоретикам не нужен. Нет, однако, и сколько-нибудь веских теоретических запретов для такой возможности. Поэтому эксперименты по поиску заряда нейтрона отнюдь не являются бессмысленными.
Были предприняты поиски электрического заряда нейтрона, использующие прямой метод измерения. Этот метод заключается в наблюдении отклонения узкого пучка медленных нейтронов сильным поперечным электростатическим полем (подобно тому, как наблюдалось отклонение нейтронного пучка в гравитационном поле).
В 1956 году Шапиро и Эстулин поставили подобный эксперимент.
Рис. 1.7
В опыте использовался пучок холодных нейтронов, профильтрованный в графите (Зn=0,026 эв). Ширина пучка определялась коллиматором, который состоял из 2-х листов Cd с щелевыми отверстиями размером 2 мм. Коллиматорный нейтронный пучок проходит между пластинами плоского конденсатора. (0,5 м,
7,5 мм). Перед детектором нейтронов устанавливалась третья Cd щель, которую с помощью микрометрического винта можно было плавно перемещать. Ширина щели ровнялась всего 1 мм. V=10 кв.
Размер области с максимальной интенсивностью отвечает ширине щелей коллиматора (2 мм). Измерения проводились с включенным полем без поля. Разность отсчетов должна давать исследуемый эффект. Результаты опыта заключаются в том, что эффект не превышает экспериментальной ошибки. Это означает, что смещение пучка (если таковое имеется) <0,02 мм, т.е. qn <6*10-12 e.
В 1960 году аналогичный опыт был проведен Зорном, Чемберлеком и Юзом. Они достигли лучшего разрешения и получили для верхней границы заряда нейтрона более низкое значение qn <1,3*10-13 e
Есть эксперименты, которые дают qn <10-18 e *
Таким образом, нейтрон - нейтральная частица.
*Эксперименты Ферми и Маршалла показывают, что рассеяние нейтронов на атомах ксенона сферически симметрично в пределах экспериментальных ошибок.
Эта симметрия снижает величину qn до пренебрежительно малой величины ?10-18e (Кертисс).
В отличие от работ Шапиро и Зорна Шалл и Ведвуд не линейное отклонение пучка, а малое изменение угла, возникающее при искривлении траектории нейтронов, если они имеют заряд при прохождении конденсатора. Величина угла отклонения б= qnEl/mv2.
Пучок с очень малой угловой расходимостью формировался при брэгговском отражении от кристалла Siочень высокого качества. Второе брэгговское отражение использовалось для анализа угла отклонения, а конденсатор был размещен между кристаллами. Результат Шалла qn=(-1,9±3,7)10-18е.
в Гренобле Gдhler, Kalus, Матре (1982 г.) получили qn=(-1,5±2,2)10-20е.
Имеется, ряд других предложений, осуществление которых может снизить оценки для qn до (10-22 - 10-23) е.
§1.5 Спин нейтрона
Наличие спина у нейтрона следует, прежде всего, из анализа спинов атомных ядер, состоящих из протонов и нейтронов. Известно, что спин протона равен 1/2, а спины ядер целочисленные, когда полное число частиц в них четно (А - четно), или содержит нечетное число половин, когда число частиц нечетно (А - нечетно). Это может быть только в том случае, если Sn=1/2, 3/2, 5/2…..
Дейтон не имеет орбитального момента (l=0) и его Id=1 является или суммой, или разностью спинов нейтрона и протона. Следующий Sn в другом случае мог бы иметь лишь два значения: 1/2 или 3/2.
Рис. 1.8
Сопоставление магнитного моментов нейтрона, протона и дейтона указывает на то, что спин нейтрона равен 1/2. В предположении, что Sn=1/2 магнитного момента всех трех частиц прекрасно согласуется между собой. Наоборот, если Sn=3/2, то действительная величина магнитного момента дейтона окажется необъяснимой.
Ряд экспериментов, выполненных на пучках медленных нейтронов, тоже указывает со всей определенностью, что спин нейтрона равен 1/2.
Это рассеяние нейтрона свободным водородом и рассеяние нейтронов молекулярным водородом.
Из этих опытов известны величины сечений, рассеяния на орто- и пароводороде и на свободном водороде. Исходя из определенного значения спина нейтрона, можно вычислить связь между ними. Последующее сопоставление расчета с экспериментальными величинами сечений позволяет делать заключение о правильности выбранного при вычислении значения Sn.
В этих методах определения спина он находится методом исключения: предполагали различные значения спина и приходили к противоречиям всякий раз, когда спин не равен 1/2. Однако возможно непосредственное измерение величины спина нейтрона. Такое прямое измерение содержится в опыте Юза и Берджи по зеркальному отражению нейтронов от намагниченного железа.
В этом опыте было обнаружено существование двух критических углов скольжения. В общем случае возможное число критических углов должно равняться 2S+1. Поскольку в указанном эксперименте обнаружено именно два критических угла, то отсюда непосредственно следует, что Sn=1/2.
Другое прямое доказательство того, что Sn=1/2 дают опыты, аналогичные известному опыту Шторна-Герлаха. В этих опытах обнаружено четкое расщепление на две компоненты неполяризованного нейтрального пучка по спиновым компонентам при прохождении сквозь сильное неоднородное магнитного поле.
Этот эксперимент впервые был осуществлен в 1954 году в Ок-Ридже. Впоследствии было предложено использовать эффект Штерна-Герлаха для измерения степени поляризации нейтронного пучка, что в настоящее время прочно вошло в практику эксперимента с поляризованными нейтронами.
§1.6 Магнитный момент нейтрона
В соответствии с теорией Дирака, объяснившей момент элемента, магнитный момент протона должен быть равен 1, тогда как магнитный момент нейтрона должен вообще отсутствовать. Однако опытные данные существенным образом противоречат теоретическим заключениям. Резкое расхождение экспер. результатов с предсказаниями теории Дирака свидетельствуют о достаточно сложной структуре нуклонов.
В 1933 году, в опытах Штерна, Эстермана и Фриша были определены магнитные моменты протона и дейтрона. Оказалось, что мр?2,5 ед. магнетона, а
мd?0,8 ед. магнетона. Если предположить, что магнитный момент дейтона представляет собой алгебраическую сумму магнитных моментов протона и нейтрона и учесть, что спины p и n в d параллельны, то из опытов Штерна следовало, что нейтрон должен обладать магнитным моментом ?2 ед. магнетона по величине и отрицательным по знаку. Отрицательный знак магнитного момента согласно электрической динамике связан с вращением в направлении спина не положительного, а отрицательного заряда.