Нейтро́нная о́птика — раздел нейтронной физики, в рамках которого изучается взаимодействие медленных нейтронов со средой и с электромагнитным и гравитационным полями.
Физика
Распространение в среде В условиях, когда длина волны де Бройля нейтрона ( — масса нейтрона, — 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 меньше, чем для фотонов той же длины волны. В частности, средняя скорость тепловых нейтронов при (комнатная температура) равна .
Показатель преломления для нейтронов на границе вакуум — среда равен:
где и — длина волны и скорость нейтрона в среде, и — в вакууме. Если ввести усреднённый по объёму вещества потенциал U взаимодействия нейтрона с ядрами, то кинетическая энергия нейтрона в среде равна:
где — кинетическая энергия нейтрона в вакууме. Потенциал связан со свойствами среды:
где — число ядер в единице объёма, — когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами. Отсюда:
где величина называется граничной скоростью. Для большинства ядер , поэтому Нейтроны с имеют 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: (период полураспада — )
Для большинства веществ порядка нескольких м/с (например, для меди ). Для небольшого числа изотопов (1H, 7Li, 48Ti, 53Mn, 62Ni и другие) , и граничная скорость не существует. При полное отражение возможно лишь в том случае, если нормальная к границе среды компонента скорости нейтрона . Угол скольжения при этом должен удовлетворять условию:
где — так называемый критический угол. С ростом скорости нейтронов , а Например, для тепловых нейтронов в меди ; ; . Учёт поглощения и рассеяния нейтронов в среде приводит к комплексному показателю преломления:
где — эффективное сечение всех процессов, приводящих к выбыванию нейтронов из пучка, и — действительная и мнимая части показателя преломления. Для ультрахолодных нейтронов , и их отражение аналогично отражению света от металлов. Для веществ с 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:
где знаки ± соответствуют двум возможным ориентациям магнитного момента нейтрона относительно вектора магнитной индукции (то есть двум возможным поляризациям нейтронов), — ускорение свободного падения, — 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:
При этом для нейтронов с создаются условия для полного отражения от границы объёма, содержащего магнитное поле. В неоднородных полях 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.
Примечания
Литература
Категория:Нейтронная физика Категория:Оптика