Глава первая. СВОЙСТВА СТАБИЛЬНЫХ ЯДЕР

Выше уже было сказано, что ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных ядерными силами. Если измерять массу ядра в атомных единицах массы, то она должна быть близка к массе протона, умноженной на целое число называемое массовым числом. Если заряд ядра а массовое число то это означает, что в состав ядра входит протонов и нейтронов. (Число нейтронов в составе ядра обозначается обычно через

Эти свойства ядра отражены в символических обозначениях, которые будут использованы в дальнейшем в виде

где X - название элемента, атому которого принадлежит ядро (например, ядра: гелия - , кислорода - , железа - урана

К числу основных характеристик стабильных ядер можно отнести: заряд, массу, радиус, механический и магнитный моменты, спектр возбужденных состояний, четность и квадрупольный момент. Радиоактивные (нестабильные) ядра дополнительно характеризуются временем жизни, типом радиоактивных превращений, энергией испускаемых частиц и рядом других специальных свойств, о которых будет сказано далее.

Прежде всего рассмотрим свойства элементарных частиц, из которых состоит ядро: протона и нейтрона.

§ 1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОТОНА И НЕЙТРОНА

Масса. В единицах массы электрона: масса протона масса нейтрона .

В атомных единицах массы: масса протона масса нейтрона

В энергетических единицах масса покоя протона масса покоя нейтрона

Электрический заряд. q - параметр, характеризующий взаимодействие частицы с электрическим полем, выражается в единицах заряда электрона где

Все элементарные частицы несут количество электричества, равное либо 0, либо Заряд протона Заряд нейтрона равен нулю.

Спин. Спины протона и нейтрона равны Обе частицы являются фермионами и подчиняются статистике Ферми-Дирака, а следовательно, и принципу Паули.

Магнитный момент. Если подставить в формулу (10), определяющую магнитный момент электрона вместо массы электрона массу протона, получим

Величина называется ядерным магнитоном. Можно было предположить по аналогии с электроном, что спиновый магнитный момент протона равен Однако опыт показал, что собственный магнитный момент протона больше ядерного магнетона: по современным данным

Кроме того, оказалось, что незаряженная частица - нейтрон - также имеет магнитный момент, отличный от нуля и равный

Наличие магнитного момента у нейтрона и столь большое значение магнитного момента у протона противоречат предположениям о точечности этих частиц. Ряд экспериментальных данных, полученных в последние годы, свидетельствует о том, что и протон и нейтрон обладают сложной неоднородной структурой. В центре нейтрона при этом находится положительный заряд, а на периферии равный ему по величине распределенный в объеме частицы отрицательный заряд. Но поскольку магнитный момент определяется не только величиной обтекающего тока, но и охватываемой им площадью, то создаваемые ими магнитные моменты не будут равны. Поэтому нейтрон может обладать магнитным моментом, оставаясь в целом нейтральным.

Взаимные превращения нуклонов. Масса нейтрона больше массы протона на 0,14%, или на 2,5 массы электрона,

В свободном состоянии нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино: Среднее время жизни его близко к 17 мин.

Протон - частица стабильная. Однако внутри ядра он может превращаться в нейтрон; при этом реакция идет по схеме

Разница в массах частиц, стоящих слева и справа, компенсируется за счет энергии, сообщаемой протону другими нуклонами ядра.

Протон и нейтрон имеют одинаковые спины, почти одинаковые массы и могут превращаться друг в друга. В дальнейшем будет показано, что и ядерные силы, действующие между этими частицами попарно, тоже одинаковы. Поэтому их называют общим наименованием - нуклон и говорят, что нуклон может находиться в двух состояниях: протон и нейтрон, отличающихся своим отношением к электромагнитному полю.

Нейтроны и протоны взаимодействуют благодаря существованию ядерных сил, имеющих неэлектрическую природу. Своим происхождением ядерные силы обязаны обмену мезонами. Если изобразить зависимость потенциальной энергии взаимодействия протона и нейтрона малых энергий от расстояния между ними то приближенно она будет иметь вид графика, представленного на рис. 5, а, т. е. имеет форму потенциальной ямы.

Рис. 5. Зависимость потенциальной энергии взаимодействия от расстояния между нуклонами: а - для пар нейтрон - нейтрон или нейтрон - протон; б - для пары протон - протон

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер плотности потока водяного пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 масса нейтрона = 1,00866489109991 атомная единица массы [а. е. м.]

Исходная величина

Преобразованная величина

килограмм грамм эксаграмм петаграмм тераграмм гигаграмм мегаграмм гектограмм декаграмм дециграмм сантиграмм миллиграмм микрограмм нанограмм пикограмм фемтограмм аттограмм дальтон, атомная единица массы килограмм-сила кв. сек./метр килофунт килофунт (kip) слаг фунт-сила кв. сек./фут фунт тройский фунт унция тройская унция метрическая унция короткая тонна длинная (английская) тонна пробирная тонна (США) пробирная тонна (брит.) тонна (метрическая) килотонна (метрическая) центнер (метрический) центнер американский центнер британский квартер (США) квартер (брит.) стоун (США) стоун (брит.) тонна пеннивейт скрупул карат гран гамма талант (Др. Израиль) мина (Др. Израиль) шекель (Др. Израиль) бекан (Др. Израиль) гера (Др. Израиль) талант (Др. Греция) мина (Др. Греция) тетрадрахма (Др. Греция) дидрахма (Др. Греция) драхма (Др. Греция) денарий (Др. Рим) асс (Др. Рим) кодрант (Др. Рим) лептон (Др. Рим) планковская масса атомная единица массы масса покоя электрона масса покоя мюона масса протона масса нейтрона масса дейтрона масса Земли масса Солнца берковец пуд Фунт лот золотник доля квинтал ливр

Подробнее о массе

Общие сведения

Масса - это свойство физических тел противостоять ускорению. Масса, в отличие от веса, не изменяется в зависимости от окружающей среды и не зависит от силы притяжения планеты, на которой находится это тело. Массу m определяют при помощи второго закона Ньютона, по формуле: F = m a , где F - это сила, а a - ускорение.

Масса и вес

В обиходе часто используется слово «вес», кода говорят о массе. В физике же вес, в отличие от массы - это сила, действующая на тело благодаря притяжению между телами и планетами. Вес также можно вычислить по второму закону Ньютона: P = m g , где m - это масса, а g - ускорение свободного падения. Это ускорение возникает благодаря силе притяжения планеты, вблизи которой находится тело, и его величина также зависит от этой силы. Ускорение свободного падение на Земле равно 9,80665 метра в секунду, а на Луне - примерно в шесть раз меньше - 1,63 метра в секунду. Так, тело массой в один килограмм весит 9,8 ньютона на Земле и 1,63 ньютона на Луне.

Гравитационная масса

Гравитационная масса показывает какая гравитационная сила действует на тело (пассивная масса) и с какой гравитационной силой тело действует на другие тела (активная масса). При увеличении активной гравитационной массы тела его сила притяжения также увеличивается. Именно эта сила управляет движением и расположением звезд, планет и других астрономических объектов во вселенной. Приливы и отливы также вызваны гравитационными силами Земли и Луны.

С увеличением пассивной гравитационной массы увеличивается и сила, с которой гравитационные поля других тел действуют на это тело.

Инертная масса

Инертная масса - это свойство тела противостоять движению. Именно вследствие того, что тело имеет массу, нужно прикладывать определенную силу, чтобы сдвинуть тело с места или изменить направление или скорость его движения. Чем больше инертная масса, тем большую силу нужно для этого приложить. Масса во втором законе Ньютона - именно инертная масса. По величине гравитационная и инертная массы равны.

Масса и теория относительности

Согласно теории относительности, гравитирующая масса изменяет кривизну пространственно-временного континуума. Чем больше такая масса тела, тем сильнее это искривление вокруг этого тела, поэтому вблизи тел большой массы, таких как звёзды, траектория световых лучей искривляется. этот эффект в астрономии носит название гравитационных линз. Наоборот, вдали от больших астрономических объектов (массивные звёзды или их скопления, называемые галактиками) движение световых лучей прямолинейно.

Основным постулатом теории относительности является постулат о конечности скорости распространения света. Из этого вытекает несколько любопытных следствий. Во-первых, можно представить себе существование объектов со столь большой массой, что вторая космическая скорость такого тела будет равна скорости света, т.е. никакая информация от этого объекта не сможет попасть во внешний мир. Такие космические объекты в общей теории относительности называют «чёрными дырами» и их существование было экспериментально доказано учёными. Во-вторых, при движение объекта с околосветовой скоростью его инертная масса настолько возрастает, что, локальное время внутри объекта замедляется по сравнению со временем. измеряемым стационарными часами на Земле. Этот парадокс известен как «парадокс близнецов»: один из них отправляется в космический полёт с околосветовой скоростью, другой остаётся на Земле. По возвращении из полёта через двадцать лет, выясняется, что космонавт-близнец биологически моложе своего брата!

Единицы

Килограмм

В системе СИ масса изменяется в килограммах. Килограмм определяется исходя из точного численного значения постоянной Планка h , равной 6,62607015×10⁻³⁴, выраженной в Дж с, что равно кг м² с⁻¹, причем секунда и метр определяются по точным значениям c и Δν Cs . Массу одного литра воды можно приближенно считать равной одному килограмму. Производные килограмма, грамм (1/1000 килограмма) и тонна (1000 килограммов) не являются единицами СИ, но широко используются.

Электронвольт

Электронвольт - единица для измерения энергии. Обычно ее используют в теории относительности, а энергию вычисляют по формуле E =mc ², где E - это энергия, m - масса, а c - скорость света. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии, электронвольт - также и единица массы в системе естественных единиц, где c равна единице, а значит, масса равна энергии. В основном электронвольты используют в ядерной и атомной физике.

Атомная единица массы

Атомная единица массы (а. е. м. ) предназначена для масс молекул, атомов, и других частиц. Одна а. е. м. равна 1/12 массы атома нуклида углерода, ¹²C. Это примерно 1,66 × 10 ⁻²⁷ килограмма.

Слаг

Слаги используются в основном в британской имперской системе мер в Великобритании и некоторых других странах. Один слаг равен массе тела, которое движется с ускорением один фут в секунду за секунду, когда к нему приложена сила в один фунт-силу. Это примерно 14,59 килограмма.

Солнечная масса

Солнечная масса - мера массы, принятая в астрономии для измерения звезд, планет и галактик. Одна солнечная масса равна массе Солнца, то есть, 2 × 10³⁰ килограммов. Масса Земли примерно в 333 000 раза меньше.

Карат

В каратах измеряют массу драгоценных камней и металлов в ювелирном деле. Один карат равен 200 миллиграммам. Название и сама величина связаны с семенами рожкового дерева (по-английски: carob, произносится «кароб»). Один карат раньше был равен весу семечка этого дерева, и покупатели носили с собой свои семена, чтобы проверить, не обманули ли их продавцы драгоценных металлов и камней. Вес золотой монеты в Древнем Риме равнялся 24 семечкам рожкового дерева, и поэтому караты стали применяться для обозначения количества золота в сплаве. 24 карата - чистое золото, 12 каратов - сплав наполовину из золота, и так далее.

Гран

Гран использовался как мера веса во многих странах до эпохи Возрождения. Он основывался на весе зерен, в основном ячменя, и других популярных в то время культур. Один гран равен около 65 миллиграммам. Это немного больше четверти карата. Пока караты не получили широкого распространения, в ювелирном деле использовались граны. Эта мера веса используется и по сей день для измерения массы пороха, пуль, стрел, а также золотой фольги в стоматологии.

Другие единицы массы

В странах, где не принята метрическая система, используют меры массы британской имперской системы. Например, в Великобритании, США и Канаде широко применяются фунты, стоуны и унции. Один фунт равен 453,6 грамма. Стоуны используются в основном только для измерения массы тела человека. Один стоун - это примерно 6,35 килограмма или ровно 14 фунтов. Унции в основном используют в кулинарных рецептах, особенно для продуктов в маленьких порциях. Одна унция это 1/16 фунта, или приблизительно 28,35 грамма. В Канаде, которая формально перешла на метрическую систему в 1970-х годах, многие продукты продаются в упаковке, рассчитанной на округленные британские единицы, например, один фунт или 14 жидких унций, однако на них указан вес или объем в метрических единицах. По-английски такую систему называют «мягкой метрической» (англ. soft metric ), в отличие от «жесткой метрической» системы (англ. hard metric ), в которой на упаковке указывают округленный вес в метрических единицах. На этом снимке показаны «мягкие метрические» упаковки продуктов питания с указанием веса только в метрических единицах и объема как в метрических, так и в имперских единицах.

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

Атомная единица массы
Atomic mass unit

Атомная единица массы (а. е. м. или u ) – единица массы, равная 1/12 массы атома изотопа углерода 12 С, и применяемая в атомной и ядерной физике для выражения масс молекул, атомов, ядер, протона и нейтрона. 1 а.е.м. (u ) ≈ 1.66054 . 10 -27 кг. В ядерной физике и в физике элементарных частиц вместо массы m используют в соответствии с соотношением Эйнштейна Е = mс 2 её энергетический эквивалент mс 2 , причём в качестве единицы энергии применяют 1 электронвольт (эВ) и его производные: 1 килоэлектронвольт (кэВ) = 10 3 эВ, 1 мегаэлектронвольт (МэВ)= 10 6 эВ, 1 гигаэлектронвольт (ГэВ) = 10 9 эВ, 1 тераэлектронвольт (ТэВ) = 10 12 эВ и т.д. 1 эВ – это энергия, приобретаемая однозарядной частицей (например, электроном или протоном) при прохождении в электрическом поле разности потенциалов в 1 вольт. Как известно 1 эВ = 1.6 . 10 -12 эрг = 1.6 . 10 -19 Дж. В энергетических единицах
1 а.е.м. (u )931.494 МэВ. Массы протона (m p) и нейтрона (m n) в атомных единицах массы и в энергетических единицах следующие: m p ≈ 1.0073 u ≈ 938.272 МэВ/с 2 , m n ≈ 1.0087 u ≈ 939.565 МэВ/с 2 . С точностью ~1% массы протона и нейтрона равны одной атомной единице массы (1 u ).

Масса нейтрона может быть определена различными способами. Первое определение m n было сделано Чэдвиком по измерению энергии ядер отдачи, образующихся при столкновении нейтронов с ядрами водорода и азота. Этот метод позволил определить лишь то, что масса нейтрона примерно равна массе протона.

Нейтрон не имеет заряда, поэтому обычные методы определения массы атомов (масс-спектроскопия, химические методы) к нейтрону не применимы. Все измерения массы нейтрона основывались на методе анализа энергетического баланса различных ядерных реакций с участием нейтронов. Вскоре после открытия нейтрона для определения его массы были использованы в реакциях 11 B(α,n) 14 N и 7 Li(α,n) 10 B.

В настоящее время разница масс протона и нейтрона достаточно точно определена с помощью эндоэнергетической реакции 3 H+p→n+ 3 He и методом, основанным на измерении разницы масс дейтрона и молекулы водорода, а также энергии связи дейтрона. Для реакции 3 H(p,n) 3 He закон сохранения энергии можно записать в виде

где Q – энергия реакции, а под обозначениями атомов и частиц следует понимать их энергию покоя. С помощью соотношения для энергии реакции

Q=(m 2 /(m 1 +m 2))*E T *(1-0.5(m 2 E T /((m 1 +m 2) 2 *c 2))), (2)

Где m 1 и m 2 – массы протона и тритона. Было найдено значение Q=-(763,77±0,08) кэВ .

Разность масс нейтрона и атома водорода можно получить, зная максимальную энергию β -частиц E β при распаде трития:

(m n -M H)c 2 =E β (1+m 0 /m 3)-Q+E H , (3)

где m 3 – масса ядра 3 He; m 0 – масса покоя электрона; E H – энергия связи электрона в атоме водорода; M H – масса атома водорода, масса антинейтрино принята равной нулю. Усредняя известные данные, для E β можно найти значение (18,56±0,05) кэВ. В результате разность масс нейтрона и протона оказывается равной δm n - p =(1293,0±0,1) кэВ.

Один из наиболее точных методов основан на использовании реакции радиационного захвата тепловых нейтронов протонами:

Если протон неподвижен, то закон сохранения энергии для этой реакции

T n , T d - кинетические энергии нейтрона и протона. При T n ≈ 0 (например, для тепловых нейтронов кинетическая энергия T n = 0,025 эВ) кинетической энергией нейтронов можно пренебречь. Исходя из закона сохранения импульса для кинетической энергии дейтрона можно получить следующее выражение; . В настоящее время энергия γ-квантов измерена с большой точностью E γ = 2223.25 кэВ. Энергия связи дейтрона . Массы протона и дейтрона m d и m p измеряются с хорошей точностью с помощью масс-спектрометра, оценка даёт величину T d = 1.3 кэВ. Отсюда можно вычислить массу нейтрона. Наиболее точное значение массы нейтрона равно (1981 г.): m n = 939,5731(27)МэВ. В скобках указана ошибка в двух последних цифрах.

Масса нейтрона на 1.293 МэВ больше массы протона. Поэтому нейтрон является β -активной частицей с временем жизни 885.4 секунды. В свободном состоянии нейтроны практически отсутствуют, если не считать небольшого количества, рождающегося под действием космических лучей.

Процесс β-распада свободного нейтрона можно представить в виде:

Этот процесс энергетически возможен, так как суммарная масса частиц, входящих в правую часть уравнения, меньше массы нейтрона. В кварковой модели распад нейтрона является следствием более фундаментального процесса превращения d-кварка: d→u+e - + . Изучение β-распада свободного нейтрона дает возможность получить информацию о слабом взаимодействии, ответственном за его распад. При этом, то обстоятельство, что изучается распад элементарной частицы, позволяет избавиться от влияния на процесс распада ядерных эффектов.

Измерение времени жизни нейтрона по отношению к β-распаду дает ценную информацию для физики слабых взаимодействий, астрофизики и космологии. В космологии период полураспада нейтрона прямо связан со скоростью образования гелия в начальном периоде существования Вселенной. Знание периода полураспада нейтрона необходимо для правильного понимания физических процессов, идущих на Солнце.

Электрический заряд нейтрона с огромной степенью точности (~10 -20 е , е - заряд электрона) равен нулю. Отличие от нуля магнитного момента нейтрона свидетельствует о его внутренней структуре. Для исследования структуры нуклонов необходимо, чтобы де-бройлевская длина волны (λ= 2 ћ/p) зондирующих частиц была мала по сравнению с размерами нуклонов. Эти условия оказалось возможным выполнить с помощью рассеяния на нуклонах быстрых электронов (~100 МэВ).

Нейтрон может обладать дипольным моментом. Это возможно, если в природе не выполняется инвариантность по отношению к обращению времени.

Хотя нейтрон в целом нейтрален, он имеет сложное внутреннее распределение заряда, что проявляется во взаимодействии нейтронов с электронами.

Можно подвести итог первой главы.

Нейтрон – это нейтральная (z = 0) дираковская частица со спином и отрицательным магнитным моментом (в единицах ядерного магнитного момента) , который в основном определяет электромагнитное взаимодействие нейтрона. Так же, как и протону, нейтрону приписывают единичный барионный заряд Y n = +1 и положительную четность P n =+1.

Масса нейтрона составляет m n = 1,00866491578 ± 0.00000000055 а.е.м. = 939,56633 ± 0.00004 МэВ, что на 1,2933318 ± 0.0000005 МэВ больше массы протона. В связи с этим нейтрон является β -радиоактивной частицей. С временем жизни τ = 885.4 ± 0.9(стат.) ± 0.4(сист.) сек он распадается по схеме (7). Здесь приведены данные 2000 г.

Группа исследователей из Американского национального института стандартов и технологий обновила свои результаты измерения времени жизни нейтрона в эксперименте с нейтронным пучком. Их значение стало еще сильнее отличаться от результатов, полученных в нейтронных ловушках. В чем причина этого расхождения - пока неясно.

Нестыкующиеся измерения

Экспериментальная физика занимается не только изучением каких-то сложных эффектов, но и аккуратным измерением простых и универсальных параметров. Эти параметры характеризуют то или иное свойство нашего мира, они могут встречаться в описании разных явлений, поэтому очень полезно их знать как можно точнее. Такие измерения, вследствие своей важности, часто проводятся несколькими группами исследователей и разными экспериментальными методами.

К сожалению, иногда возникает ситуация, когда измерения разных групп или измерения разными методами дают существенно отличающиеся результаты. Сразу же подчеркнем: речь идет не о расхождении теории с экспериментом, а о расхождении между разными результатами измерений. Для физика-экспериментатора такие ситуации - источник постоянной головной боли («где же я ошибся, что же я не углядел?»), для теоретика-оптимиста - повод поупражняться в придумывании новых физических явлений, которые могли бы тоже играть тут роль. Такие ситуации, конечно, происходят регулярно и являются частью естественного процесса экспериментального изучения нашего мира. Они могут оказаться очень полезными с точки зрении истории физики - по крайней мере после того, как физики наконец-то разберутся в источниках проблем. Но при взгляде изнутри ситуации , когда проблема еще не решена, они всё же неприятны: непонятно, что именно и где именно сбоит, непонятно, какому методу можно доверять, а какому - нет, да и внимание теоретиков иногда отвлекается от других задач.

Конечно, никто не требует, чтобы результаты измерений буквально совпадали друг с другом. Совершенно нормально, когда они различаются в рамках заявленных погрешностей измерений - на одну-две величины погрешности (на научном языке, на одну-две «сигмы»). Такое расхождение может произойти чисто случайно, и нет никаких оснований видеть тут серьезное отличие. Когда измеренные величины различаются на 3 сигмы - это уже повод для беспокойства, на 5 сигм - повод для очень серьезного беспокойства (см. подробности на страничке Что такое «сигма»?). И снова подчеркнем: это беспокойство относится не к самой величине, а к методам измерения, к (не)пониманию экспериментаторами своей установки либо метода измерения и обработки данных.

Особенно драматична ситуация, когда с течением времени погрешности каждого отдельного эксперимента уменьшаются, но различие между ними остается. В этом случае расхождение между ними, выраженное в единицах сигма, растет со временем.

Есть несколько примеров такой ситуации в современной физике. Видимо, самая впечатляющая - это гравитационная постоянная, где нестыковка между четырьмя точными измерениями уже превышает 10 сигм; см. подробности в новости Новые измерения гравитационной постоянной еще сильнее запутывают ситуацию , «Элементы», 13.09.2013. Другой пример - недавние измерения новым методом зарядового радиуса протона с результатом, отличающимся от общепринятого значения на 7 сигм. Еще одна «проблемная величина» - это время жизни нейтрона, где бурные изменения произошли в последние несколько лет. И вот сейчас, когда казалось уже, что ситуация успокоилась, в журнале Physical Review Letters вышла , подливающая масла в огонь.

Время жизни нейтрона: предыстория

Нейтрон - самая долгоживущая из нестабильных элементарных частиц. В свободном состоянии он живет очень долго, почти 15 минут, и распадается за счет слабого взаимодействия на протон, электрон и антинейтрино. Внутри ядра он может стать как совершенно стабильным, так и очень нестабильным; эти ядерные эффекты мы здесь не обсуждаем. Еще подчеркнем, что речь тут идет о времени жизни в системе отсчета самой частицы; если частица движется с околосветовой скоростью, ее время жизни может сильно увеличиться (см. по этому поводу задачу про время жизни фотона). Время жизни нейтрона - величина, очень важная как для физики частиц и атомного ядра, так и для астрофизики. Неудивительно, что его принялись измерять почти сразу после того, как экспериментаторы научились получать и регистрировать свободные нейтроны, ну и, конечно, отвлеклись от задач, связанных с военными применениями - всё же происходило это в 40-е годы.

Поначалу все эксперименты делались только с нейтронами, вылетающими из реактора. Из-за того что нейтроны живут долго, а летят из реактора быстро, измерить их уменьшение с течением времени нереально. Зато можно убедиться, что нейтроны распадаются, поскольку датчики, установленные поодаль от реактора, регистрировали иногда приходящие почти одновременно протоны и электроны. Если знать нейтронный поток, измерить частоту таких срабатываний и разобраться с угловыми характеристиками, то можно оценить и время жизни нейтрона. Первые оценки 1950 года давали время жизни от 13 до 40 минут; год спустя было было опубликовано первое настоящее измерение с результатом 1110 ± 220 с.

В течение последующих трех десятилетий измерения становились всё более и более точными (см. рис. 1) и постепенно сошлись на значении около 900 секунд с погрешностью 1–2%. В схему эксперимента было внедрено много усовершенствований, но общий подход оставался неизменным: измерялось не уменьшение количества нейтронов со временем, а радиоактивность пролетающего мимо нейтронного пучка. Такой метод так и называется - пучковый.

Несколько лет ситуация оставалась подвешенной. Авторы «революционного» измерения не ограничились предъявлением только своих результатов, но и тщательно рассмотрели методики, использованные в других ловушечных экспериментах, и указали на возможные источники неточностей и систематического смещения результатов. В своей статье 2010 года два ключевых автора провели общий анализ всех имевшихся на тот момент данных и предложили снизить официально среднее значение практически до своего результата. Коллектив Particle Data Group , который занимается такими усреднениями, в этой ситуации воздержался от суждений. В его отчете за 2010 год осталось старое общепринятое число, но оно сопровождалось такой припиской:

Новый результат Серебров и др. (2005) настолько сильно отличается от остальных, что нет смысла пытаться включать его в общее усреднение. Разобраться с этой ситуацией должны эксперты, а до тех пор наше усредненное значение 885,7 ± 0,8 с следует воспринимать с долей скептицизма.

Авторы предыдущих измерений прислушались к критике группы Сереброва, провели новый анализ погрешностей и действительно вынуждены были пересмотреть свои результаты. В их новых публикациях уже фигурируют числа от 880 до 882 секунд. При этом авторы работы 2000 года - той самой, в которой впервые была достигнута общая погрешность меньше 1 секунды, - были вынуждены в 2012 году эту погрешность резко увеличить. Можно сказать, что группа Сереброва в этом вопросе одержала полную и безоговорочную победу. Она не только в одиночку «переборола» несколько результатов других групп, но и способствовала нахождению у них ошибок. В настоящее время это измерение 2005 года является единственным с полной погрешностью меньше 1 секунды.

Завершающим аккордом стал пересмотр общепринятого значения от Particle Data Group в отчете 2012 года. Нынешнее значение равно 880,0 ± 0,9 с . Это редкий случай, когда PDG пересматривает значение какой-то величины, резко и сильно смещая его практически без изменения погрешности.

Текущая ситуация

Можно ли сказать, что ситуация сейчас полностью разрешена? Пока нет. Некоторый консенсус сейчас достигнут между несколькими экспериментами, использующими, по сути, один и тот же инструмент - материальную ловушку нейтронов. Как показала история развития ситуации, в этом методе есть много подводных камней, и никто пока не может гарантировать, что все они обнаружены. Для примера скажем, что в 2009 году вышла с указанием на еще один возможный источник погрешности, связанный с диффузным рассеянием нейтронов на шероховатой поверхности ловушки, однако группа Сереброва на эту критику оперативно отреагировала . Впрочем, в последней версии статьи появилась реакция и на этот ответ. Так или иначе, обсуждения продолжаются. А поэтому для большей уверенности, что всё под контролем, желательно убедиться, что такое же значение времени жизни получается в магнитных ловушках, а также в пучковых экспериментах.

С магнитными ловушками ситуация пока не вполне ясна. С одной стороны, еще в 2007 году было получено значение, близкое к нынешнему «официальному», но результаты там, строго говоря, остаются предварительными. Месяц назад в архиве е-принтов появилась статья D. J. Salvat et al. Storage of ultracold neutrons in the UCNτ magneto-gravitational trap , в которой описывается первое измерение времени жизни нейтрона в новой магнитно-гравитационной ловушке, построенной в Лос-Аламосской национальной лаборатории в США. Первое измерение на очень низкой статистике дало значение 860 ± 19 с, то есть точность тут пока слишком низка для каких-то существенных выводов. Авторы вскоре увеличат статистку и тем самым намереваются достичь точности аж в 0,1 секунды. Существуют и другие нейтронные ловушки, на которых исследователи попробуют добиться сравнимой точности.

Что касается пучковых экспериментов, то здесь расхождение остается невыясненным. На днях в журнале Physical Review Letters вышла с улучшенной версией пучкового эксперимента, проводимого в NIST. Новый эксперимент проводился по технологии, описанной в публикации 2005 года (см. рис. 2), только сейчас была усовершенствована методика измерения нейтронного потока, что позволило уменьшить погрешность. Улучшенный результат составляет 887,7 ± 1,2 ± 1,9 с . Он согласуется со старым значением той же группы и существенно расходится с последними ловушечными результатами.

Различие тут пока не столь драматическое, всего 3,8 сигмы, но - как показала вся эта история - отбрасывать его ни в коем случае не следует. Оно является указанием на то, что какой-то из методов принимает во внимание не все тонкости, но какой - пока не ясно. Конечно, в идеале хотелось бы получить аналогичное пучковое измерение и другой, независимой от NIST группы. К сожалению, в последние годы упор в этом вопросе смещается всё больше и больше к ловушечным экспериментам с нейтронами. Так или иначе, ситуация пока требует разъяснения.

Главная » Полезно знать » Общие характеристики нейтронов. Основные характеристики протона, нейтрона и электрона Масса нейтрона в атомных единицах массы