Фэндом


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

Физика Править

Распространение в среде Править

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.

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 Править

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 Править

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 Править

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.

Обнаружено использование расширения AdBlock.


Викия — это свободный ресурс, который существует и развивается за счёт рекламы. Для блокирующих рекламу пользователей мы предоставляем модифицированную версию сайта.

Викия не будет доступна для последующих модификаций. Если вы желаете продолжать работать со страницей, то, пожалуйста, отключите расширение для блокировки рекламы.

Также на Фэндоме

Случайная вики