Нейтронная оптика

Нейтронная оптика

Нейтро́нная о́птика — раздел нейтронной физики, в рамках которого изучается взаимодействие медленных нейтронов со средой и с электромагнитным и гравитационным полями.

Содержание

Физика

Распространение в среде

В условиях, когда длина волны де Бройля нейтрона \lambda = {h \over { m v}} (m — масса нейтрона, v — его скорость) сравнима с межатомными расстояниями или больше их, существует некоторая аналогия между распространенем в среде фотонов и нейтронов. В нейтронной оптике, так же как и в световой оптике, есть несколько типов явлений, описываемых либо в лучевом приближении (преломление и отражение нейтронных пучков на границе двух сред), либо в волновом (дифракция в периодических структурах и на отдельных 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 электрического заряда. Однако, в отличие от квантов электромагнитного поля, нейтроны при движении в среде в основном взаимодействуют с атомными ядрами, обладают магнитным моментом и массой. Скорость распространения тепловых нейтронов в 105 — 106 раз меньше, чем для фотонов той же длины волны. В частности, средняя скорость тепловых нейтронов при T = 300 K (комнатная температура) равна 2200 м/с.

Показатель преломления n для нейтронов на границе вакуум — среда равен:

n = {\lambda \over { \lambda_1}} = {v_1 \over {v}},

где λ1 и v1 — длина волны и скорость нейтрона в среде, λ и v — в вакууме. Если ввести усреднённый по объёму вещества потенциал U взаимодействия нейтрона с ядрами, то кинетическая энергия \mathcal{E}_1 нейтрона в среде равна:

\mathcal{E}_1 = \mathcal{E} - U,

где \mathcal{E} — кинетическая энергия нейтрона в вакууме. Потенциал U связан со свойствами среды:

U = {h^2 N b \over { \pi m}},

где N — число ядер в единице объёма, b — когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами. Отсюда:

n^2 = \frac{\mathcal{E}_1}{\mathcal{E}} = 1 - \frac{h^2 N b}{\pi m^2 v^2} = 1 - \frac{v_0^{2}}{v^2},

где величина v_0 = \frac{h}{m} \sqrt{\frac{N b}{\pi} } называется граничной скоростью. Для большинства ядер b > 0, поэтому U > 0,\, \mathcal{E} < \mathcal{E}_1,\, n<1.\! Нейтроны с v < v_0 имеют \mathcal{E} < U и не могут проникнуть в среду. Такие нейтроны испытывают полное внутреннее отражение от её поверхности (ультрахолодные нейтроны). В этом случае возможно создание сосуда для продолжительного хранения нейтронов. Время жизни в свободном состоянии: 885,7 ± 0,8 секунды (период полураспада — 614 секунд)

Для большинства веществ v0 порядка нескольких м/с (например, для меди v0=5,7 м/с). Для небольшого числа изотопов (1H, 7Li, 48Ti, 53Mn, 62Ni и другие) 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 < v0. Угол скольжения φ при этом должен удовлетворять условию:

\sin \varphi < \sin \varphi_{cr} = {v_0 \over { v}},

где \varphi_{cr} — так называемый критический угол. С ростом скорости нейтронов n \rightarrow 1, а \varphi_{cr} \rightarrow 0. Например, для тепловых нейтронов в меди v=200 м/с; (1-n) = 3,3 \cdot 10^{-6}; \varphi_{cr} = 8,9'. Учёт поглощения и рассеяния нейтронов в среде приводит к комплексному показателю преломления:

n^2 = (1- { v^2_0 \over { v^2}}) + {i \alpha^2 \over { v^2}} = (n' + in'')^2,

где \alpha^2 = {hN \sigma v \over { 2 \pi m}} — эффективное сечение всех процессов, приводящих к выбыванию нейтронов из пучка, n' и n'' — действительная и мнимая части показателя преломления. Для ультрахолодных нейтронов (v < v_0) \quad n' < n'', и их отражение аналогично отражению света от металлов. Для веществ с b < 0 \quad n^2 > 1, и нейтронная оптика аналогична световой оптике диэлектриков. В частности, углы падения и преломления нейтронного пучка связаны законом преломления Снелла.

Распространение в полях

Учёт внешних магнитных и гравитационных полей приводит к выражению для показателя преломления:

n^2 = 1 - \frac{h^2 N b}{\pi m^2 v^2} \pm \frac{2 \mu B}{ m v^2} + \frac{2 g H}{ v^2},

где знаки ± соответствуют двум возможным ориентациям магнитного момента μ нейтрона относительно вектора магнитной индукции B (то есть двум возможным поляризациям нейтронов), g — ускорение свободного падения, H — высота. Аналогичное выражение описывает преломление света в среде с плавно меняющимся показателем преломления (рефракция).

Из двузначности третьего слагаемого, чувствительного к поляризации нейтронов, следует, что, выбрав подходящий материал для отражения зеркалами, магнитное поле и угол скольжения, можно создать устройство, в котором полное отражение испытывают только нейтроны одной поляризации (−). Такие устройства используются в качестве поляризаторов и анализаторов нейтронов.

Возможные варианты

Если нейтроны взаимодействуют только с магнитным полем, то:

n^2 = 1 \pm {2 \mu B \over { m v^2}}

При этом для нейтронов с v^2 < {2 \mu B \over { m}} создаются условия для полного отражения от границы объёма, содержащего магнитное поле. В неоднородных полях \mathrm{grad}\, B \ne 0 возможна деформация нейтронных пучков.

Двузначность формулы означает существование в магнитном поле разных показателей преломления для нейтронов различных поляризаций, что аналогично двойному лучепреломлению света. Это же явление в нейтронной оптике можно наблюдать без магнитного поля в средах, содержащих поляризованные ядра — ядерный псевдомагнетизм. Двойное лучепреломление имеет место, когда ядерная амплитуда рассеяния зависит от направления спина нейтрона.

Подобие

Дифракция нейтронов во многом подобна дифракции рентгеновских лучей. Основное отличие связано с тем, что нейтроны рассеиваются ядрами и магнитными внутрикристаллическими полями. Это облегчает исследование атомной структуры кристаллов в ситуациях, практически недоступных для рентгеновских лучей.



Wikimedia Foundation. 2010.

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 — 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 …   Физическая энциклопедия

  • 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 — 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 1923 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 1501 руб
  • Нейтронная оптика, В. К. Игнатович. 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 947 руб
Другие книги по запросу «Нейтронная оптика» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

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