«Нейтронная оптика»

раздел нейтронной физики, изучающий ряд явлений, имеющих оптические аналогии и возникающих при взаимодействии нейтронных пучков с веществом или полями (магнитным, гравитационными). Эти явления характерны для медленных нейтронов (См. Медленные нейтроны). К ним следует отнести: преломление и отражение нейтронных пучков на границе двух сред, полное отражение нейтронного пучка от границы раздела (наблюдаемое при определённых условиях), дифракцию нейтронов на отдельных неоднородностях среды (рассеяние нейтронов на малые углы) и на периодических структурах (см. Дифракция частиц). Для некоторых веществ при отражении и преломлении возникает поляризация нейтронов, с которой (в первом приближении) можно сопоставить круговую поляризацию света (См. Поляризация света). Неупругое рассеяние нейтронов в газах, жидкостях и твёрдых телах имеет аналогию с комбинационным рассеянием света (См. Комбинационное рассеяние света).

В ряде явлений Н. о. преобладающее значение имеют волновые свойства нейтронов. Длина волны λ нейтронов определяется массой нейтронов m= 1,67 10^-24 г и их скоростью v:

λ = h/mv, (1)

где h —Планка постоянная (см. Волны де Бройля). Средняя скорость тепловых нейтронов v = 2,2·10⁵ см/сек, для них — длина волны λ = 1,8·10^-8 см, т. е. того же порядка, что и для рентгеновских лучей (См. Рентгеновские лучи).Длины волн самых медленных нейтронов (ультрахолодных, см. ниже) такие же, как у ультрафиолетового и видимого света. Аналогию между пучками нейтронов и электромагнитными волнами подчёркивает и тот факт, что нейтроны так же, как и фотоны, не имеют электрического заряда. Вместе с тем природа нейтронных и электромагнитных волн различна. Фотоны взаимодействуют с электронной оболочкой атома, тогда как нейтроны — в основном с атомными ядрами. Нейтрон обладает массой покоя, что позволяет применять для нейтронных исследований методы, не свойственные оптике. Наличие у нейтрона магнитного момента обусловливает магнитное взаимодействие нейтронов с магнитными материалами и магнитными полями, отсутствующее для фотонов.

Развитие Н. о. началось в 40-х гг. (после появления ядерных реакторов (См. Ядерный реактор)). Э. Ферми ввёл для описания взаимодействия нейтронов с конденсированными средами понятие показателя преломления n.При прохождении нейтронов через среду происходит их рассеяние атомными ядрами. На языке волн это означает, что падающая нейтронная волна порождает вторичные волны, когерентное сложение которых определяет преломленные и отражённые волны. В результате взаимодействия нейтронов с ядрами изменяется скорость, а, следовательно, длина волны λ₁ нейтронов в среде по сравнению с длиной волны λ в вакууме. В обычных условиях, когда поглощением нейтронов на пути порядка λ₁ можно пренебречь (так же как в оптике): n = λ/λ₁. Из соотношения де Бройля следует, что n=λ/λ₁ = v₁/v.

Если U —средний по объёму среды потенциал взаимодействия нейтронов с ядрами, то при попадании в среду нейтрон должен совершить работу. Его начальная кинетическая энергия E = mv²/2 в среде уменьшается: E₁ = E - U. При U > 0 скорость нейтронов в среде уменьшается v₁ <>v,λ₁ > λ и n U n > 1. Если ввести для нейтронных волн величину, аналогичную диэлектрической проницаемости (См. Диэлектрическая проницаемость):ε = n², то: ε = λ²/λ₁² = v₁²/v² = E₁/E. Потенциал U = h²Nb/2πm,откуда:

ε = n² = 1 — h²Nb/πm²v². (2)

Здесь b — когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами, a N — число ядер в единице объёма среды. Для большинства веществ b > 0, и формуле (2) можно придать вид:

Нейтроны со скоростью v <>v₀ имеют энергию E <>U, для них n² Ультрахолодные нейтроны). Для металлов v₀Нейтронная оптикам/сек (например, для Cu v₀ = 5,7 м/сек).

Скорость тепловых нейтронов в несколько сот раз больше, чем ультрахолодных, и n близко к 1 (1 — n10^-5). При скользящем падении на поверхность плотного вещества пучок тепловых нейтронов также испытывает полное отражение, аналогичное полному внутреннему отражению (См. Полное внутреннее отражение)света. Это имеет место при углах скольжения φ ≤ φ_кр, т. е. при углах падения

Критический угол определяется из условия:

Например, для меди φ_кр = 9,5'. Можно показать, что условие полного отражения (4) эквивалентно требованию: v_z ≤ v₀, где v_z —компонента скорости нейтрона, нормальная к отражающей поверхности. Скорость холодных нейтронов в несколько раз меньше, чем тепловых, а угол φ_кр — соответственно больше.

Полное отражение используется для транспортировки тепловых и холодных нейтронов с минимальными потерями от ядерного реактора (См. Ядерный реактор) к экспериментальным установкам (расстояния Нейтронная оптика 100 м). Это осуществляется с помощью зеркальных нейтроноводов — вакуумированных труб, внутренняя поверхность которых отражает нейтроны. Зеркальные нейтроноводы делают из меди или стекла (с напыленным металлом или без него).

В действительности коэффициент отражения нейтронов всегда немного меньше единицы. Это связано с тем, что ядра не только рассеивают нейтроны, но и поглощают их. Учёт поглощения приводит к уточнению формулы (3):

Здесь σ — Эффективное поперечное сечение всех процессов, приводящих к ослаблению нейтронного пучка. Для холодных и ультрахолодных нейтронов существенна сумма сечений захвата и неупругого рассеяния, величина которых обратно пропорциональна скорости v. Поэтому произведение σv не зависит от v.Это означает, что ε и n для нейтронов, как и в оптике, комплексные величины: ε = ε’ + iε’’, n = n’+ in’’. Для ультрахолодных нейтронов действительная часть ε, т. е. ε' n’’>n’. В случае света это характерно для металлов, и отражение ультрахолодных нейтронов от многих веществ аналогично отражению света от металлов с чрезвычайно высокой отражательной способностью (см. Металлооптика). Если b<>, то в формуле (5) перед членом v₀²/v² стоит знак + и ε > 1 (возрастает с уменьшением v).Такие вещества отражают и преломляют очень медленные нейтроны, как Диэлектрики свет.

Формулу (2) легко обобщить на случай присутствия в среде магнитного поля, добавив к энергии U взаимодействия нейтронов со средой энергию магнитного взаимодействия ± μВ, где μ — магнитный момент нейтрона, В — магнитная индукция (знаки ± относятся к двум возможным ориентациям магнитного момента нейтрона относительно вектора В, т. е. к двум поляризациям нейтронного пучка):

n² = 1 - h²Nb/πm²v² ± 2μB/mv² (6)

Выбором материала для отражающего зеркала, магнитного поля и угла скольжения можно добиться того, чтобы нейтроны одной из двух поляризаций испытывали полное отражение, а другой — нет. Подобное устройство используется для получения пучков поляризованных нейтронов (См. Поляризованные нейтроны) и для определения степени их поляризации.

На принципах Н. о. основан ряд устройств, используемых как в экспериментальной технике, так и для решения практических задач: нейтронные зеркала, прямые и изогнутые нейтроноводы полного внутреннего отражения, нейтронные кристаллические монохроматоры, зеркальные и кристаллические поляризаторы и анализаторы нейтронов, устройства, позволяющие фокусировать нейтронные пучки, преломляющие призмы, нейтронный интерферометр и т.д. Дифракция нейтронов широко применяется для исследования субмикроскопических свойств вещества: атомно-кристаллической структуры, колебаний кристаллической решётки (См. Колебания кристаллической решётки), магнитной структуры и её динамики (см. Нейтронография).

Лит.: Ферми Э., Лекции по атомной физике, пер. с англ., М., 1952; Юз Д., Нейтронная оптика, пер. с англ., М., 1955; Гуревич И. И., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергии, М., 1965; Франк И. М., Некоторые новые аспекты нейтронной оптики, «Природа», 1972, № 9. См. также лит. при ст. Нейтронография.

Ю. М. Останевич, И. М. Франк.

НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА - раздел ядерной физики, изучающий взаимодействие медленных нейтронов с веществом в условиях, когда отчетливо проявляются волновые свойства нейтронов: дифракция, поляризация и др.

НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА

раздел нейтронной физики, в рамках к-рого изучается вз-ствие медленных нейтронов со средой и с эл.-магн. и гравитац. полями. В условиях, когда длина волны де Бройля нейтрона l=h/mv (m — масса нейтрона, v — его скорость) сравнима с межат. расстояниями или больше их, существует нек-рая аналогия между распространением в среде фотонов и нейтронов. В Н. о., так же как и в световой оптике, есть неск. типов явлений, описываемых либо в лучевом приближении (преломление и отражение нейтронных пучков на границе двух сред), либо в волновом (дифракция в периодич. структурах и на отд. неоднородностях). Комбинационному рассеянию света соответствует неупругое рассеяние нейтронов; круговой поляризации света можно сопоставить (в первом приближении) поляризацию нейтронов. Аналогию между нейтронами и фотонами усиливает отсутствие у них электрич. заряда. Однако в отличие от квантов эл.-магн. поля нейтроны, двигаясь в среде, в осн. взаимодействуют с ат. ядрами, обладают магн. моментом и массой покоя, вследствие чего скорость распространения тепловых нейтронов в 105 —106 раз меньше, чем для фотонов той же длины волны.

Показатель преломления n для нейтронов на границе вакуум — среда равен: n=l/l1=v1/v, где l1, v1 — длина волны и скорость нейтрона в среде, l, v — в вакууме. Если ввести усреднённый по объёму в-ва потенциал U вз-ствия нейтрона с ядрами, то кннетич. энергия?1 нейтрона в среде равна:?1=?-U, где? — кинетич. энергия нейтрона в вакууме. Потенциал U связан со св-вами среды: U=h2Nb/pm, где N — число ядер в ед. объёма, b — когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами. Отсюда

n2 =?1/?=1-h2Nb/pm2v2=1-n2/v2, (1)

где величина v0=h/m?(Nb/p) наз. граничной скоростью. Для большинства ядер b>0, поэтому U>0,?1v0 полное отражение возможно лишь в том случае, если нормальная к границе среды компонента скорости нейтрона vн<0. Угол скольжения j при этом должен удовлетворять условию: sin j• 10-6;jкр=8,9'. Учёт поглощения и рассеяния нейтронов в среде приводит к комплексному показателю преломления:

n2=(1-v20/v2) + ia2/v2=(n'+in")2, (2)

где a2=hNsv/2pm, s — эфф. сечение всех процессов, приводящих к ослаблению нейтронного пучка, n' и n" — действительная и мнимая части показателя преломления. Для ультрахолодных нейтронов (v1 и Н. о. аналогична световой оптике диэлектриков. В частности, углы падения и преломления нейтронного пучка связаны Снелля законом преломления.

Учёт внешних магн. и гравитац. полей приводит к выражению для показателя преломления:

где знаки ± соответствуют двум возможным ориентациям магн. момента m нейтрона относительно вектора магн. индукции В (т. е. двум возможным поляризациям нейтрона), g — ускорение свободного падения, H — высота. Аналогичное выражение описывает преломление света в средах с плавно меняющимся показателем преломления (рефракцию). Из двузначности третьего слагаемого, чувствительного к поляризации нейтронов, следует, что, выбрав подходящий материал для отражающего зеркала, магн. поле и угол скольжения, можно создать устройство, в к-ром полное отражение испытывают только нейтроны одной поляризации (-). Такие устройства используются в кач-ве поляризаторов и анализаторов нейтронов (см. ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ НЕЙТРОНЫ).

Если нейтроны взаимодействуют только с магн. полем, то:

n2=l ± 2mB/mv2. (4)

При этом для нейтронов с v2<2mB/m создаются условия для полного отражения от границы объёма, содержащего магн. поле. В неоднородных полях grad B?0 возможна рефракция нейтронных пучков. Двузначность ф-лы (4) означает существование в магн. поле разных показателей преломления для нейтронов разл. поляризация, что аналогично двойному лучепреломлению света. Это же явление в Н. о. можно наблюдать без магн. поля в средах, содержащих поляризов. ядра (см. ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ЯДРА) — ядерный п с е в д о м а г н е т и з м. Двойное лучепреломление имеет место, когда яд. амплитуда рассеяния зависит от направления спина нейтрона.

Дифракция нейтронов во многом подобна дифракции рентгеновских лучей. Осн. отличия связаны с тем, что нейтроны рассеиваются ядрами и магн. внутрикристаллическими, полями. Это облегчает исследование ат, структуры кристаллов в ситуациях, практически недоступных для рентг. лучей (см. НЕЙТРОНОГРАФИЯ).

нейтро́нная о́птика

раздел ядерной физики, изучающий взаимодействие медленных нейтронов с веществом в условиях, когда отчётливо проявляются волновые свойства нейтронов: дифракция, поляризация и др.

* * *

НЕЙТРО́ННАЯ О́ПТИКА, раздел ядерной физики, изучающий взаимодействие медленных нейтронов с веществом в условиях, когда отчетливо проявляются волновые свойства нейтронов: дифракция, поляризация и др.

ottica neutronica

раздел ядерной физики, изучающий взаимодействие медленных нейтронов с в-вом в условиях, когда отчётливо проявляются волновые свойства нейтронов: дифракция, поляризация и др.