Однако было неизвестно, как экспериментально подойти к проблеме поиска мn, поскольку опыт Штерна-Герлаха с нейтроном невозможно было осуществить из-за низкой интенсивности существовавших тогда источников нейтронов. Это положение сохранялось до появления в 1936 году работы Блоха.
Хотя заряд нейтрона = 0, 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, чем через ненамагниченные, ибо магнитные поля последних отклоняют нейтроны, взаимодействуя с ними, как с микроскопическими магнитами.
Откуда же у электрически нейтральной частицы может возникнуть магнитное поле? Ведь обычно магнитное поле возникает при движении электрических зарядов?
В атомах магнитное поле создается за счет движения электронов, хотя в целом атом электрически нейтрален. Вероятно, и нейтрон должен обладать магнитным моментом.
Существование магнитного момента у нейтрона служит одним из доказательств его сложной структуры и заставляет предполагать, что у нейтрона, как и у атома, имеется электрически заряженная сердцевина, вокруг которой вращается слой противополжного знака, играющий роль кругового тока.
В начале 30-х годов, когда был открыт нейтрон, трудно было ожидать, что нейтральная частица может обладать магнитным моментом. Тем более поразительно, что гипотеза о наличии у нейтрона магнитного момента стала обсуждаться в литературе в 1934 году развитая Штерном с современная техника измерения магнитных моментов молекул путем отклонения молекулярных пучков в неоднородном магнитном поле (опыт Штерна-Герлаха) позволила измерить µp и µd. Было обнаружено существенное различие этих величин. И в этой работе Эстермана и Штерна, доложенной в апреле 1934 г. на заседании Американского физического общества, видимо, впервые было высказано предположение, что должен быть равен µp + µn. Авторы оценили µn µsg. Почти одновременно и независимо от ДАН СССР появилась работа И.Е. Гамма и С.А. Альтшулера.
Первые прямые доказательства наличия магнитного момента у нейтрона были получены в опытах с рассеянием нейтронов в намагниченных до насыщения ферромагнитных веществах. Блох (в 1936 году) указал, что если нейтрон имеет магнитный момент, то взаимодействие его с атомами намагниченного вещества должно привести к различной интенсивности рассеяния различно ориентированных относительно направления намагничения нейтронов.
Так как Sn=1/2, то ориентаций может быть две по полю и против поля. В отношении рассеяния в намагниченном теле неполяризованный пучок нейтронов, т.е., делится на 2 компоненты, один из которых рассеивается сильнее, другой слабее. Благодаря этому общая проницаемость тела для неполяризованного пучка нейтронов меняется при намагничении. Наблюдением этого эффекта и было показано в 1937 году, что нейтрон действительно обладает магнитным моментом. Однако измерить его таким способом не удалось, т.к. эффект изменения рассеяния зависит не только от величины , но и от весьма сложных и неопределенных свойств рассеивающего ферромагнетика.
Рассмотрим 3 группы опытов с медленными нейтронами, в которых был изменен магнитный момент нейтрона.
а. Опыты Альвареца-Блоха
Первое прямое изменение магнитного момента нейтрона было выполнено в 1940 году Альварецом и Блохом. В этих опытах использовался резонансный метод Ряби в сочетании с методом поляризации нейтронного пучка при пропускании его сквозь намагниченный ферромагнетик.
Рис. 1.9
Нейтроны получались путем бомбардировки Ве-мишени дейтонами, ускоренными в циклотроне. Далее они проходили через замедлитель
Пучок тепловых нейтронов проходил сначала через блок железа толщиной 4 см., игравший роль поляризатора, затем нейтроны пересекали пространство двух взаимно перпендикулярных магнитных полей и после прохождения сквозь второй блок железа, игравший роль анализатора, регистрировались детектором Д.
В данном опыте в промежутке между блоками создалась система двух скрещенных полей: однородного поля H и к нему осциллирующего поля H1. Если частота w1 осциллирующего поля оказывалась равной ларморовской частоте прецессии wларм. Момента нейтрона в поле Н (условие резонанса), то в этом случае происходило переворачивание магнитных моментов нейтронов.
.
Если частота колебаний осцилляторного поля Н1 отличалась от частоты прецессии нейтронов в поле Н, то поляризация пучка, созданная первым образцом железа, не нарушалась, и тогда при параллельной ориентации поляризатора и анализатора наблюдалась максимальная (определенная) интенсивность пучка. Меняя частоту колебаний поля Н1 или напряженность поля Н (практически это удобнее) и, следовательно, частоту прецессии, можно добиться условия резонанса.
Как только это условие достигалось, начиналась переориентация нейтронов, т.е. деполяризация пучка в пространстве скрещённых полей Н и Н1. При этом интенсивность пучка на выходе, естественно, понижается.
Рис. 1.10
Для вычисления µ необходимо измерить значения щ1 и Н0, соответствующие условию резонанса. Абсолютные измерения этих величин связаны со значительными погрешностями.
Для уменьшения ошибок Альварец и Блох проводили сравнение поля Н с другими магнитными полем и щ1 с другой частотой. Чтобы избежать абсолютного измерения частоты и поля, авторы провели относительные измерения этих величин, сравнивая их с частотой и полем в циклотроне в ситуации, когда выполнялись условия ускорения для протонов.
Знак магнитного момента нейтрона определил несколько ранее Пауэрс (1937), использовав вместо осциллирующего вращающееся магнитное поле. В результате было выяснено, что нейтрон обладает отрицательным магнитным моментом.
Используя результат Пауэрса и собственные измерения, Альварец и Блох получили:
Этот результат был, разумеется, проанализирован в соотношении с полученными несколько ранее Раби точными измерениями магнитных моментов протонов и дейтрона:
Близость величин ( и свидетельствовала о том, что µр и µn аддитивны в дейтоне и, стало быть, дейтон находится в 1S-состоянии. Однако к этому времени Раби с сотрудниками обнаружил у дейтона квадрупольный момент, что было несовместимо с представлением о чистом 1S-состоянии дейтона.
б. Опыты Блоха-Никодемуса-Штауба*:
В 1940году было показано, что дейтрон обладает квадрупольным электрическим моментом. В связи с этим возник вопрос о проверке неаддитивности µn и µp в дейтроне, для этого требовалось выполнить более точные измерения µn.
Более точное измерения µn было выполнено Блоха-Никодемуса-Штаубом. В 1948 году методом, в котором сравнивались магнитные моменты нейтрона и протона. Нейтронная резонансная частота наблюдалась с помощью метода, примененного ранее в опытах Альвареса-Блоха. Протонная резонансная частота определялась методом ядерного парамагнитного резонанса. Опыт дает следующее соотношение
Этот результат в сочетании с данными по подтверждал неаддитивность магнитных моментов нейтронов и протонов в дейтроне.
в. Опыты Корнгольда - Коэна -Размзея
В 1953 году измерения магнитного момента были повторены. Было получено более точное значение µn.
Рис. 1.11
В качестве поляризатора и анализатора нейтронного пучка применялись намагниченные нейтронные зеркала (сплав - 93% Co, 7% Fe). Между поляризатором и анализатором пучок проходил систему скрещенных магнитных полей. Область однородного постоянного поля в зазоре 18мм имела значительную длину 152,4 см, применялись 2 раздельных осциллирующих полей, создаваемых вблизи краев однородного поля. Расстояние между осциллирующими полями составило ~100см.
Резонансным метод изучения молекулярных (в частности нейтронных) пучков с помощью двух раздельных осциллирующих полей был предложен и развит Рамзеем в 1950 году. Этот метод исключает неоднородностей магнитного поля на ширину резонанса и даже в случае идеального однородного поля позволяет получать вдвое более узкие резонансы.
Калибровка магнитного поля производилась, как и ранее по ядерному парамагнитному резонансу на протонах.
Опыт дал
Отсюда следует, что между и существует разница, которая далеко превосходит погрешности измерений. Это означает, что ядерные силы не является центральными, они носят тензорный характер.
Современное значение величины магнитного момента по состоянию на
1980 году такого:
§1.7 О природе магнитного момента нейтрона
Блох и Швингер использовали разные модели магнитного момента нейтрона. Блох рассматривал магнитный момент как истинный магнитный диполь, в то время как в модель Швингера нейтрон представлялся объектом с распределенным током, который в свою очередь и обуславливал появление магнитного момента. Эти модели приводят во многих случаях к различным следствиям, проверяемым экспериментально, поскольку истинный диполь и токовый магнитный момент различаются по действующему на них в среде эффективному полю. В случае диполя энергия взаимодействия - µnH, а в случае тока - µnВ=-µn(Н+4рМ), где М - магнитный момент единицы объема среды. Поэтому измерения энергии взаимодействия нейтрона с ферромагнитным веществом дает однозначный ответ о справедливости той или иной модели. Поскольку для ферромагнетиков Н и В различаются на несколько порядков, то соответственно различны и энергии магнитного взаимодействия для двух моделей. Кроме того, Н и В ведут себя по-разному вблизи границы вещества.
Тангенциальная составляющая НII непрерывна на границе среды, в то время как ВII терпит на границе разрыв. Это обстоятельство приводит, в частности, к тому, что при отражении нейтронов от намагниченного ферромагнитного зеркала в случае справедливости токовой модели должно наблюдаться два критического угла падения
,
где л - длина волны нейтрона,
N - Концентрация ядер в веществе,
bког - когерентная длина рассеяния ядер вещества.
Первый член связан с когерентным рассеянием нейтронов на ядрах вещества, а второй имеет магнитное происхождение. В отсутствие магнитного отражения при углах падения, меньших цяд, определяемого первым членом, от зеркала отражаются все нейтроны. При наличии члена µВ полное отражение происходит при меньшем из двух значений угла, а в случае отражаются нейтроны одной поляризации. В случае модели диполя вместо µВ надо подставить много меньшую величину µН, кроме того будет отсутвовать резкий скачок потенциала на поверхности вещества. Это приводит к иной зависимости коэффициент отражения от угла.
Впервые опыт по отражению нейтронов от намагниченного ферромагнитного зеркала был осуществлен Юзом и Берджи в 1951 году. Опыт полностью подтвердил справедливость токовой модели.
§1.8 Распад нейтрона
Вопрос о стабильности нейтрона возник в середине 30-х годов когда превышение его массы над суммой масс р и е- стал установленным фактом.
Поскольку mn-mp~1,3 МэВ, энергетический вполне возможно превращение нейтрона в протон и е- путем в-распада.
Главной особенностью в-распада является то, что он обусловлен не ядерными, и не электромагнитными силами, а слабыми взаимодействиями. За счет того, что интенсивность слабых взаимодействий на 24 порядка меньше ядерных, период полураспада в-активных ядер в среднем имеют порядок минут и часов.
в-распад - процесс не внутри ядерный, а внутри нуклонный. В ядре распадается одиночный нуклон. С другой стороны, для того чтобы выполнялись законы сохранения энергии и момента, ядро при в-распаде должен перестраиваться. Поэтому период полураспада Т, а также другие характеристики в-распада в сильнейшей степени зависят от того, насколько сложна эта перестройка. В результате периоды в-распада варьируются в столь же широких пределах, как и периоды б-распада.
То есть, если б-распад представляет собой чисто ядерное явление, то в-активные процессы - явление гораздо более сложное, связанное как с теорией слабых взаимодействий, так и со структурой ядра.
Одной из основных величин, характеризующих влияние структуры ядра на
в-распад, является FT1/2 - сравнительный период полураспада (приведенный период полураспада).
где E0 - граничная энергия в-спектра.
- функция энергии распада, с точностью до const вероятность распада в единицу времени.
, следовательно
Матричный элемент определяется свойствами волновой функции начального и конечного состояний, (а каждое состояние характеризуется спином и четностью) и определяет степень разрешенности перехода для разрешенных переходов близок к 1, для запрещенных - близок к нулю. Волновые функции начального и конечного состояний для разрешенных переходов должны удовлетворять вполне определенным условиям, связанными с выполнением законов сохранения момента количества движения и четности. Существуют правила отбора Ферми и правила отбора Гамова-Теллера.
Величина и Т могут быть определены экспериментально. Поэтому теория в-распада предсказывает, что произведение двух экспериментально измеримых характеристик в-распада (F и T) должны быть приблизительно постоянно как для разрешенных, так и для запрещенных переходов, причем константа во втором случае должна быть существенно больше, чем в первом. Величина const=FT может меняться от ядра к ядру только за счет влияния структуры ядра на распад. Поскольку FT1/2 меняется в пределах многих порядков, то часто пользуется величиной lg(FT1/2).