НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА


НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА
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, ?1ультрахолодные нейтроны). В этом случае возможно создание сосудов для продолжит. хранения нейтронов. Для большинства в-в v0=неск. м/с (напр., для Cu v0=5,7 м/с). Для небольшого числа ядер (1Н, 7Li, 48Ti, 53Mn, 62Ni и др.) b<0, U<0 и граничная скорость не существует. При v>v0 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
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 (vОПТИКА). Для в-в с b<0 n2>1 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:
НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА
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).

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА

- раздел нейтронной физики, в к-ром изучаются волновые свойства нейтрона, процессы распространения нейтронных волн в разных веществах и полях. К числу таких процессов относятся дифракция и интерференция нейтронных волн, преломление и отражение нейтронных пучков на границе раздела двух сред. В силу принципа корпускулярно-вол-нового дуализма нейтрон может проявлять себя как частица с энергией 3055-37.jpg и импульсом p или как волна с частотой 3055-38.jpg , длиной волны l = 3055-39.jpg/p и волновым вектором k = 2p р/3055-40.jpg. Волновые свойства отчётливо проявляются у нейтронов низких энергий, длина волны к-рых порядка или больше межатомных расстояний в веществе (~10-8 см).

Из-за отсутствия у нейтронов электрич. заряда они глубоко проникают внутрь большинства материалов, что позволяет рассматривать их как достаточно прозрачные среды для распространения нейтронных волн. Большая часть нейтронно-оптич. явлений имеет аналогию с оптич. явлениями, несмотря на различную природу полей нейтронного и светового излучений. Световые волны описываются ур-ниями Максвелла, а нейтронная волна (нейтронная волновая ф-ция) подчиняется ур-нию Шрёдингера. Распространение волн в среде, согласно Гюйгенса принципу, связано с их рассеянием и последующей интерференцией вторичных волн. В случае нейтронов рассеяние обусловлено гл. обр. их короткодействующим сильным взаимодействием с атомными ядрами, в случае световых волн - дальнодейст-вующим электромагнитным взаимодействием с электронами атомных оболочек. Наличие у нейтрона магн. момента приводит к взаимодействию с магн. моментами атомов, на чём основано т. н. магнитное рассеяние нейтронов, не имеющее аналогии в оптике. Неупругое рассеяние нейтронов можно сопоставить с комбинационным рассеянием света. В отличие от векторной световой волны, нейтронная волна является спинором. Поэтому все поляризац. явления в H. о., связанные с наличием у нейтрона спина, существенно отличаются от оптических, хотя и здесь есть аналогии; напр., поляризации нейтронов можно (в нек-ром приближении) сопоставить круговую поляризацию света. В H. о. в нек-рых случаях имеет место двойное лучепреломление и дихроизм (см. ниже).

Распространение нейтронных волн в среде. Для нейтронов с энергией 3055-41.jpg, распространяющихся в свободном пространстве, решением ур-ния Шрёдингера (нерелятивистское приближение) является суперпозиция плоских {Akexp[i(wt - kr)]} и сферических {(ai/r)exp[i(wt - -kri)]} волн, где w = 2p3055-42.jpg/h - частота волны, k = = 2pmu/h - волновой вектор, k= |k| - волновое число, r - радиус-вектор точки, ri - расстояние от i -гo точечного источника нейтронных волн или рассеивате-ля. Конкретное решение зависит от граничных условий задачи и выбирается путём определения соответствующих амплитуд Ak и ai плоских и сферич. волн.

Анализ задачи о распространении нейтронной волны в среде показывает, что интерференция плоской первичной волны, имеющей волновой вектор k, с рассеянными сферич. волнами приводит к быстрому затуханию первичной волны. Вместо неё в среде распространяется волна с волновым вектором kcp, величина к-рого даётся соотношением:

3055-43.jpg

Здесь N - число ядер-рассеивателей в единице объё-ма, b - т. н. когерентная длина рассеяния нейтрона на закреплённом ядре. Длина рассеяния b связана с сечением упругого когерентного рассеяния медленных нейтронов соотношением:

3055-44.jpg

к-рое соответствует рассеянию на непроницаемой сфере радиуса b. Для большинства ядер длина b> 0 и по порядку величины равна размеру ядра (~10-12 см). Длины рассеяния являются эмпирич. величинами, нерегулярно меняющимися от ядра к ядру (см. Дифракция нейтронов). Для среды, содержащей разл. атомные ядра, произведение Nb в ф-ле (1) должно быть заменено на сумму 3055-45.jpg по соответствующим сортам ядер i.

Направление распространяющейся в среде волны определяется из условия равенства параллельных границе раздела вакуум - среда компонент волновых векторов k|| = k||cp, и ф-ла (1) фактически связывает только нормальные компоненты векторов k| и k|cp, т. е. (k|cp)2 = (k|)2 - 4pNb. Отсюда следует известный из оптики закон преломления sinq = nsinq', где q и q' - углы падения и преломления, а п - показатель преломления среды для нейтронных волн:

3055-46.jpg

Особые дифракц. явления возникают при прохождении нейтронов через кристаллы, когда интерференция нейтронных волн, рассеянных на регулярно расположенных рассеивателях, приводит к усилению интенсивности волн в направлениях, соответствующих зеркальному отражению от атомных плоскостей кристалла при выполнении Брэгга - Вульфа условия: ll= 2dcosq, где l - кратность отражения, d - межплоскостное расстояние, q - угол падения нейтронов на отражающую атомную плоскость.

T. к. нейтрон обладает массой т, то изменение волнового числа при преломлении на границе среды означает изменение не только его импульса, но и кинетич. энергии. Следовательно, среде можно приписать нек-рый эффективный (оптический) потенциал U. Связь показателя преломления n и U определяется выражением:

3055-47.jpg

Сравнивая (2) и (3), получаем:

3055-48.jpg

T. к. для большинства ядер b> 0, то взаимодействие нейтронов со средой, как правило, носит характер отталкивания (U> 0). Величина потенциала U мала для всех материалов (<=3.10-7 эВ). Для тепловых нейтронов с энергией 3055-49.jpg 10-2 эВ га мало отличается от 1. При b> 0 n2 < 1 и уменьшается с уменьшением 3055-50.jpg. Крайне медленные нейтроны (ультрахолодные нейтроны )с энергией 3055-51.jpg < U не могут проникнуть внутрь материала и полностью отражаются от его поверхности аналогично отражению световых волн от поверхности ме-таллич. зеркал.

В случае магн. материалов кроме взаимодействия нейтрона с атомными ядрами следует учитывать его взаимодействие с магн. моментами электронных оболочек (см. Магнитная нейтронография). Для очень медленных нейтронов необходимо также принимать во внимание и наличие силы тяжести Земли. В результате к оптич. потенциалу добавляются потенциалы UM = = - mB, Urpaв = mgz, где m - магн. момент нейтрона, В - магн. индукция, g - ускорение свободного падения, z - высота. Общее выражение для показателя преломления имеет вид:

3055-52.jpg

Неоднородность хим. состава среды, наличие грави-тац. и магн. членов в (5) приводят к зависимости n от координат. При этом, как и в оптике неоднородных сред, имеет место искривление лучей. Наличие двух знаков у последнего слагаемого в (5) соответствует двум возможным ориентациям спина нейтрона относительно H. Различие показателя преломления для двух спиновых компонент приводит к магн. двойному лучепреломлению (рис. 1). Пучок нейтронов испытывает последовательно брэгговскую дифракцию на двух кристаллах Si. Расположенная между ними ферромагн. призма по-разному отклоняет нейтроны с ориентацией спина параллельно полю (3055-53.jpg) и антипараллельно (3055-54.jpg). В результате дифракц. отражение от 2-го кристалла Si происходит при двух разных поворотах кристалла и регистрируются два пика, соответствующие двум противоположным ориентациям спина нейтрона. Из-за спиновой зависимости ядерных сил двойное лучепреломление имеет место также в среде, содержащей ориентированные ядра (ядерный псевдомагнетизм).


3055-55.jpg3055-56.jpg

Рис. 1. a - Двойное лучепреломление нейтронного пучка в ферромагнитной призме: 1 -кристаллы Si; 2 - ферромагнитная призма; 3 - детектор нейтронов; б - кривая отражения без призмы; в - кривая отражения с призмой; I - счёт детектора нейтронов.

Для того чтобы описать распространение нейтронной волны в среде с учётом её ослабления, пользуются понятием комплексной длины рассеяния b= b' + ib ", где b "= ks/4p (согласно т. н. оптической теореме),s - сечение всех процессов, приводящих к ослаблению пучка. Поскольку для холодных нейтронов s обратно пропорц. скорости нейтрона в среде (з а к о н 1/u), а k сp = 2pmucp/h, то b " не зависит от кинетич. энергии нейтрона и является эмпирич. константой среды. Как правило, b " << b'. Из-за комплексности b комплексными величинами являются U и n2. В оптике диэлектриков и немагн. металлов комплексной является диэлектрическая проницаемость e = = n2 = e' + ie ". Сопоставляя это соотношение с (2), получим для нейтронного аналога диэлектрич. проницаемости выражение:

3055-57.jpg

В H. о. |e'| >> |e "|. Если b' <0, то e' > 0 и имеется полная аналогия с диэлектриками. Однако для большинства материалов b' >0, При этом e' > 0 только в случае, когда энергия нейтронов 3055-58.jpg не слишком мала. Если 3055-59.jpg < U, то e' < 0, что характерно для металлов.

В оптике амплитуды отражённой (r )и прошедшей (f )волн (при единичной амплитуде падающей волны) определяются Френеля формулами. В H. о. все особенности преломления и отражения связаны с нормальными к плоскости раздела компонентами скоростей и и ucp|. Поэтому удобно ввести "нормальный" коэф. преломления 3055-60.jpg , где u0= = 2U/m наз. граничной скоростью среды. Тогда ф-лы Френеля будут иметь вид:

3055-61.jpg

При u|.< u0(u0 <= 6 м/с) показатель преломления n| становится мнимым, а коэф. отражения R= |r|2 = 1. Это явление, как и в случае рентг. лучей, наз. полным внешним отражением. Наличие поглощения (комплексность потенциала U и соответственно n2|) делает отражение не идеально полным, хотя из-за малости b' по сравнению с b " коэф. отражения в этом- случае отличается от 1 на величину ~10-3-10-4.

Нейтронно-оптические методы в физических исследованиях.

3055-62.jpg

Рис. 2. Прибор для обнаружения заряда нейтрона.

3055-63.jpg

Рис. 3. а - Схема гравитационного рефрактометра; б - зависимость коэффициента отражения R от z для тяжёлой воды.

Анализируя дифракц. картину, возникающую при прохождении нейтронов через кристаллич. вещества, можно восстановить пространств. структуру элементарной ячейки кристалла (см. Нейтронография структурная). В свою очередь, монокристаллы используются как монохроматоры нейтронов. Явление полного отражения используется для создания зеркальных ней-троноводов, с помощью к-рых можно выводить нейтроны из ядерного реактора или др. нейтронного источника на достаточно большие расстояния. T. к. показатель преломления определяется не только ядерным составом среды, но и еёмагн. свойствами, то можно подобрать такие материалы, для к-рых полное отражение имеет место только для одной спиновой компоненты. На этом принципе основано действие поляризующих зеркал и поляризующих нейтроноводов (см. Поляризованные нейтроны).

В силу несохранения чётности в ядерных взаимодействиях длина рассеяния нейтрона на ядрах может зависеть от ориентации спина нейтрона относительно его импульса. Это приводит к специфич. двойному лучепреломлению, к-рое может быть обнаружено по вращению плоскости поляризации нейтронов с поперечной относительно импульса поляризацией. Различие же мнимых частей длины рассеяния приводит к различию в ослаблении нейтронных пучков, поляризованных вдоль и против импульса. Практич. применение находят нейтронные призмы и
линзы. Так, в эксперименте по проверке электрич. нейтральности нейтрона использовался призматич. нейтронный монохроматор (рис. 2). Moнохроматич. <пучок нейтронов, проходя через щель S3, фокусируется вогнутой собирающей кварцевой линзой ( п< 1) на щель S4, установленную перед детектором Д. Наличие электрич. заряда у нейтрона приводило бы к смещению изображения при включении или изменении знака электрич. поля E.

3055-64.jpg3055-65.jpg3055-66.jpg

Рис. 4. a - Схема нейтронно-оптического устройства: 1 - зеркала; 2 -объект, просвечиваемый нейтронами; 3 - детектор; 4 - подводящий нейтроновод (стрелками показано направление движения нейтронов); б- двумерное изображение объекта; в - объект, нанесённый в виде тонкого слоя Ni на кремниевую подложку. Так как Ni обладает значительно большим потенциалом U, чем Si, то области, покрытые Ni, отражают большую часть спектра падающих на них ультрахолодных нейтронов.


На использовании нейтронно-оптич. явлений основано большинство методов прецизионного измерения длины (амплитуды) когерентного рассеяния нейтронов b.3 их числе измерение сдвига фаз в нейтронном интерферометре, когда в одно из его плеч помещён исследуемый образец; сравнение показателя преломления исследуемого вещества с показателем преломления окружающей среды. В этом методе используется просветление первоначально "мутной" (для нейтронов) взвеси частиц исследуемого вещества в растворе при постепенном изменении хим. или изотопного состава растворителя (фильтр Христиансена). Один из наиб. точных методов измерения длины рассеяния основан на прецизионном измерении граничной скорости u0 образца с помощью гравитац. рефрактометра. Измеряется зависимость коэф. отражения R нейтронов, имеющих первоначально строго горизонтальную скорость, от высоты z их падения на горизонтальное зеркало (рис. 3, а). При этом z полностью определяет нормальную к зеркалу компоненту скорости нейтронов (рис. 3, б).

Способность ультрахолодных нейтронов к полному отражению при любых углах падения позволяет хранить их в замкнутых сосудах и измерить период бета-распада нейтрона по изменению кол-ва нейтронов в сосуде, а также осуществить эксперименты по обнаружению электрич. дипольного момента нейтрона. Наличие этого момента свидетельствовало бы о T - неинвари-антности ядерных взаимодействий (см. Нейтрон).

Полное отражение нейтронов с большой длиной волны делает возможным создание различных оптич. устройств, в т. ч. нейтронного аналога зеркального микроскопа (рис. 4, а). Контраст в изображении объекта, создаваемый этим прибором, связан с нейтронно-оптич. свойствами вещества, т. е. с его ядерным (изотопным) составом и магн. структурой (рис. 4, б, в).

Лит.: ЮзД., Нейтронная оптика, пер. с англ., M., 1955; Гуревич И. И., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергий, M., 1965; Франк И. M., Некоторые новые аспекты нейтронной оптики, "Природа", 1972, № 9; Нейтрон. К 50-летию открытия, M., 1983; Sears V. F., Thermal - neutron scattering lengths and cross sections, AECL-8480, Chalk River, Ontario, 1984; Игнатович В. К., Физика ультрахолодных нейтронов, M., 1986. В. И. Лущиков.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА" в других словарях:

  • НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА — раздел ядерной физики, изучающий взаимодействие медленных нейтронов с веществом в условиях, когда отчетливо проявляются волновые свойства нейтронов: дифракция, поляризация и др …   Большой Энциклопедический словарь

  • нейтронная оптика — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN neutron optics …   Справочник технического переводчика

  • 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.… …   Большая советская энциклопедия

  • Нейтронная оптика — Нейтронная оптика  раздел нейтронной физики, в рамках которого изучается взаимодействие медленных нейтронов со средой и с электромагнитным и гравитационным полями. Содержание 1 Физика 1.1 Распространение в среде …   Википедия

  • нейтронная оптика — раздел ядерной физики, изучающий взаимодействие медленных нейтронов с веществом в условиях, когда отчётливо проявляются волновые свойства нейтронов: дифракция, поляризация и др. * * * НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА, раздел ядерной физики,… …   Энциклопедический словарь

  • нейтронная оптика — neutroninė optika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. neutron optics vok. Neutronenoptik, f rus. нейтронная оптика, f pranc. optique des neutrons, f …   Fizikos terminų žodynas

  • НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА — раздел ядерной физики, изучающий взаимодействие медленных нейтронов с в вом в условиях, когда отчётливо проявляются волновые свойства нейтронов: дифракция, поляризация и др …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • НЕЙТРОННАЯ ФИЗИКА — совокупность исследований строения в ва с помощью нейтронов, а также исследования св в и структуры самих нейтронов (времени жизни, магн. момента и др.). Отсутствие у нейтрона электрич. заряда приводит к тому, что они в осн. взаимодействуют… …   Физическая энциклопедия

  • НЕЙТРОННАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ — раздел нейтронной оптики, методич. основой к рого является измерение разности фаз интерферирующих нейтронных волн. Нейтронные интерферометры (НИ) прецизионные приборы, в к рых осуществляется пространств. разделение исходного пучка нейтронов, как… …   Физическая энциклопедия

  • Нейтронная физика — Нейтронная физика  раздел физики элементарных частиц, занимающийся исследованием нейтронов, их свойств и структуры (времени жизни, магнитного момента и др.), методов получения, а также возможностями использования в прикладных и научно… …   Википедия

Книги

  • Нейтронная оптика, Игнатович Владимир Казимирович. В книге рассмотрены упругое отражение и пропускание нейтронов плоскими зеркалами, связанные с ними вопросы квантовой механики и теории рассеяния. Развивается единый алгебраический подход к… Подробнее  Купить за 1471 грн (только Украина)
  • Нейтронная оптика, Игнатович Владимир Казимирович. В книге рассмотрены упругое отражение и пропускание нейтронов плоскими зеркалами, связанные с ними вопросы квантовой механики и теории рассеяния. Развивается единый алгебраический подход к… Подробнее  Купить за 1363 руб
  • Нейтронная оптика, Игнатович В.К.. В книге рассмотрены упругое отражение и пропускание нейтронов плоскими зеркалами, связанные с ними вопросы квантовой механики и теории рассеяния. Развивается единый алгебраический подход к… Подробнее  Купить за 1173 руб
Другие книги по запросу «НЕЙТРОННАЯ ОПТИКА» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.