Neutronová optika

Neutronová optika je část neutronové fyziky , která studuje interakci pomalých neutronů s prostředím a s elektromagnetickými a gravitačními poli.

Fyzika

Distribuce v prostředí

Za podmínek, kdy je vlnová délka neutronu de Broglie ( m je hmotnost neutronu, v je jeho rychlost) srovnatelná s meziatomovými vzdálenostmi cm nebo více, existuje určitá analogie mezi šířením fotonů a neutronů v médiu [1] . V neutronové optice, stejně jako ve světelné optice, existuje několik typů jevů popsaných buď v paprskové aproximaci ( lom a odraz neutronových paprsků na rozhraní dvou prostředí) nebo vlnové aproximaci ( difrakce v periodických strukturách a na jednotlivých nehomogenity). Ramanův rozptyl světla odpovídá nepružnému rozptylu neutronů; Kruhovou polarizaci světla lze srovnat (v prvním přiblížení) s polarizací neutronů. Analogii mezi neutrony a fotony posiluje jejich nedostatek elektrického náboje . Na rozdíl od kvant elektromagnetického pole však neutrony při pohybu v médiu interagují hlavně s atomovými jádry , mají magnetický moment a hmotnost . Rychlost šíření tepelných neutronů je 10 5 — 10 6 krát menší než u fotonů stejné vlnové délky. Zejména průměrná rychlost tepelných neutronů při T = 300 K (pokojová teplota) je 2200 m/s. $\lambda ={h \over {mv))$ $10^{{-8}}$

Index lomu n pro neutrony na rozhraní vakua a prostředí je:

n={\lambda \over {\lambda _{1))}={v_{1} \over {v)),

kde λ 1 a v 1 jsou vlnová délka a rychlost neutronu v prostředí, λ a v jsou ve vakuu. Pokud zavedeme potenciál U interakce neutronu s jádry, zprůměrovaný na objem látky , pak se kinetická energie neutronu v prostředí rovná: ${\mathcal {E}}_{1}$

{\mathcal {E}}_{1}={\mathcal {E}}-U,

kde je kinetická energie neutronu ve vakuu. Potenciál U souvisí s vlastnostmi média: ${\mathcal {E}}$

U={h^{2}Nb \over {\pi m)),

kde N je počet jader na jednotku objemu, b je koherentní délka rozptylu neutronů jádry. Odtud:

n^{2}={\frac {{\mathcal {E}}_{1}}{\mathcal {E}}}=1-{\frac {h^{2}Nb}{\pi m^{2}v^{2}}}=1-{\frac {v_{0}^{2}}{v^{2}}},

kde se veličina nazývá hraniční rychlost. Pro většinu jader b > 0, proto neutrony s mají a nemohou proniknout do prostředí. Takové neutrony zažívají totální vnitřní odraz od svého povrchu ( ultrachladné neutrony ). V tomto případě je možné vytvořit nádobu pro dlouhodobé skladování neutronů. Životnost ve volném stavu: 885,7 ± 0,8 sekund ( poločas rozpadu - 614 sekund) $v_{0}={\frac {h}{m}}{\sqrt {\frac {Nb}{\pi }}}$ $U>0,\,{\mathcal {E}}<{\mathcal {E}}_{1},\,n<1.$ ${\displaystyle v<v_{0))$ ${\mathcal {E}}<U$

Pro většinu látek je v 0 řádově několik m / s (například pro měď je v 0 \u003d 5,7 m / s). Pro malý počet izotopů ( 1 H, 7 Li, 48 Ti, 53 Mn, 62 Ni a další) b < 0, U < 0 a neexistuje žádná limitující rychlost. Pro v > v 0 je úplný odraz možný pouze tehdy , je - li složka rychlosti neutronů kolmá k hranici prostředí v n < v 0 . Úhel skluzu φ v tomto případě musí splňovat podmínku:

\sin \varphi <\sin \varphi _{cr}={v_{0} \over {v)),

kde je tzv. kritický úhel. S nárůstem rychlosti neutronů a Například pro tepelné neutrony v mědi v = 200 m/s; ; . Zohlednění absorpce a rozptylu neutronů v médiu vede ke komplexnímu indexu lomu: ${\displaystyle \varphi _{cr))$ $n\rightarrow 1$ $\varphi _{cr}\rightarrow 0.$ ${\displaystyle (1-n)=3.3\cdot 10^{-6))$ $\varphi _{cr}=8,9'$

n^{2}=(1-{v_{0}^{2} \over {v^{2}}})+{i\alpha ^{2} \over {v^{2}} }=(n'+in'')^{2},

kde je efektivní průřez všech procesů vedoucích k tomu, že neutrony opouštějí paprsek, a jsou skutečné a imaginární části indexu lomu. U ultrachladných neutronů je jejich odraz podobný odrazu světla od kovů. Pro látky s a neutronovou optikou je obdoba světelné optiky dielektrik. Zejména úhly dopadu a lomu neutronového paprsku souvisí podle Snellova zákona lomu . $\alpha ^{2}={hN\sigma v \over {2\pi m))$ $n'$ $n''$ $(v<v_{0})\quad n'<n''$ $b<0\quad n^{2}>1,$

Distribuce v polích

Zohlednění vnějších magnetických a gravitačních polí vede k vyjádření indexu lomu:

$n^{2}=1-{\frac {h^{2}Nb}{\pi m^{2}v^{2}}}\pm {\frac {2\mu B}{mv ^{2}}}+{\frac {2gH}{v^{2}}},$

kde znaménka ± odpovídají dvěma možným orientacím neutronového magnetického momentu μ vzhledem k vektoru magnetické indukce B (tj. dvěma možným polarizacím neutronů), g je gravitační zrychlení a H je výška. Podobný výraz popisuje lom světla v prostředí s plynule se měnícím indexem lomu ( lom ).

Z nejednoznačnosti třetího členu, citlivého na polarizaci neutronů, vyplývá, že volbou vhodného materiálu pro odraz zrcadly, magnetickým polem a úhlem pohledu lze vytvořit zařízení, ve kterém pouze neutrony jedné polarizace (-) prožívají úplný odraz. Taková zařízení se používají jako polarizátory a analyzátory neutronů .

Možnosti

Pokud neutrony interagují pouze s magnetickým polem, pak:

${\displaystyle n^{2}=1\pm {2\mu B \over {mv^{2))))$

V tomto případě jsou vytvořeny podmínky pro neutrony s úplným odrazem od hranice objemu obsahujícího magnetické pole. V nehomogenních polích je možná deformace neutronových paprsků. $v^{2}<{2\mu B \over {m))$ $\mathrm {grad} \,B\neq 0$

Nejednoznačnost vzorce znamená existenci v magnetickém poli různých indexů lomu pro neutrony různé polarizace, což je podobné dvojlomu světla. Stejný jev v neutronové optice lze pozorovat bez magnetického pole v médiích obsahujících polarizovaná jádra- nukleární pseudomagnetismus . K dvojlomu dochází, když amplituda jaderného rozptylu závisí na směru rotace neutronu .

Podobnost

Neutronová difrakce je v mnoha ohledech podobná difrakci rentgenového záření . Hlavní rozdíl je způsoben tím, že neutrony jsou rozptylovány jádry a magnetickými intrakrystalickými poli . To usnadňuje studium atomové struktury krystalů v situacích, které jsou pro rentgenové záření prakticky nedostupné.

Poznámky

↑ Širokov, 1972 , s. 501.

Literatura

Shirokov Yu. M. , Yudin N. P. Jaderná fyzika. - M. : Nauka, 1972. - 670 s.