БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (НЕ)

Развитие Н. о. началось в 40-х гг. (после появления ядерных реакторов ) . 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 l 1нейтронов в среде по сравнению с длиной волны l в вакууме. В обычных условиях, когда поглощением нейтронов на пути порядка l 1можно пренебречь (так же как в оптике): n = l/l 1. Из соотношения де Бройля следует, что n = l / l 1 = v 1/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 = mv 2 /2 в среде уменьшается: E 1= E - U. При U > 0 скорость нейтронов в среде уменьшается v 1< v, l 1 > l и n < 1 . При U < 0 скорость возрастает и n > 1. Если ввести для нейтронных волн величину, аналогичную диэлектрической проницаемости: e = n 2, то: e = l 2/l 1 2= v 1 2/v 2 = E 1/ E . Потенциал U = h 2Nb /2p m, откуда:

e = n 2 = 1 — h 2Nb/ p m 2v 2. (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 < v 0 имеют энергию E < U, для них n 2 < 0, т. е. показатель преломления мнимый. Такие нейтроны не могут преодолеть силы отталкивания среды и полностью отражаются от её поверхности. Они получили название ультрахолодных нейтронов. Для металлов v 0 ~ м/сек (например, для Cu v 0 = 5,7 м/сек ) .

Скорость тепловых нейтронов в несколько сот раз больше, чем ультрахолодных, и n близко к 1 (1 — n » 10 -5) . При скользящем падении на поверхность плотного вещества пучок тепловых нейтронов также испытывает полное отражение, аналогичное полному внутреннему отражению света. Это имеет место при углах скольжения j £ j кр, т. е. при углах падения

Критический угол определяется из условия:

Например, для меди j кр= 9,5'. Можно показать, что условие полного отражения (4) эквивалентно требованию: v z £ v 0, где v z— компонента скорости нейтрона, нормальная к отражающей поверхности. Скорость холодных нейтронов в несколько раз меньше, чем тепловых, а угол j кр— соответственно больше.

Полное отражение используется для транспортировки тепловых и холодных нейтронов с минимальными потерями от ядерного реактора к экспериментальным установкам (расстояния ~ 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 s — 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 s v не зависит от v. Это означает, что e и n для нейтронов, как и в оптике, комплексные величины: e = e’ + i e’’ , n = n’ + in’’. Для ультрахолодных нейтронов действительная часть e, т. е. e' < 0 и 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 < 0 , то в формуле (5) перед членом v 0 2/v 2 стоит знак + и e > 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 ± m В, где m — 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):

n 2= 1 - h 2 Nb /p m 2 v 2± 2m B / mv 2 (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 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, 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.

Нейтро'нная радиогра'фия,получение изображения образца в результате воздействия на фоточувствительный слой вторичных излучении, возникающих в образце при облучении его нейтронами. Н. р. применяется главным образом для исследования металлов, сплавов, минералов с целью выявления наличия и размещения в них различных примесей (см. Дефектоскопия ) . В результате захвата нейтрона ядра становятся радиоактивными (см. Нейтронная спектроскопия, Медленные нейтроны ) . Метод Н. р. основан на разной вероятности захвата нейтронов различными атомными ядрами. Если облученный нейтронами образец (обычно тонкая пластинка) совместить с фотоплёнкой, то на проявленном снимке получаются участки с различной степенью почернения (нейтронная фотография). Более тёмные участки соответствуют ядрам, которые сильнее поглощают нейтроны. Наличие и размещение некоторых примесей в образце можно определять не только по вторичным излучениям, но также по ослаблению первичного нейтронного потока в результате поглощения нейтронов ядрами примесей. Между образцом и фотослоем помещают фольгу из элемента, который становится под действием нейтронов b-активным (Ag, Dy, In). В этом случае более светлые пятна соответствуют более сильному поглощению нейтронов.