Физические свойства нейтрона

В кварковой модели Гелл-Манна нейтрон предполагается элементарной частицей в том смысле, что он состоит из другого набора кварков, чем протон. В 30-е годы прошлого века физики-теоретики пришли к заключению об элементарности нейтрона, не опираясь на данные измерений, которых в то время не было.

Чтобы объяснить данные измерений параметров нейтрона — магнитного момента нейтрона, массы и энергии его распада — рассмотрим электромагнитную модель нейтрона, в которой он не является элементарной частицей [3].

Предположим, что нейтрон, так же как и боровский атом водорода, состоит из протона, вокруг которого на очень малом расстоянии от него вращается электрон. Вблизи протона движение электрона должно быть релятивистским. Однако особенность формирующейся при этом устойчивой орбиты в том, что при её вычислении все релятивистские поправки компенсируют друг друга и полностью выпадают.

Рассмотрим электромагнитную модель нейтрона подробнее [3].

Структура нейтрона

Электромагнитная модель нейтрона

В первое время после открытия нейтрона в физике обсуждался вопрос о том, следует ли его считать элементарной частицей. Экспериментальных данных, которые могли бы помочь решить этот вопрос, не было, и вскоре сложилось мнение, что нейтрон подобно протону — элементарная частица. Однако тот факт, что нейтрон нестабилен и распадается на протон и электрон (+ антинейтрино), даёт основание относить его к неэлементарным составным частицам.

Рассмотрим составную частицу, в которой вокруг протона со скоростью v?>?cвращается частица с массой покоя m_e и зарядом -?e. (Ранее подобный подход был рассмотрен в работах [3] и [4]).

Выберем цилиндрическую систему координат, в которой ось z совпадёт с направлением магнитного момента протона.

z?мp?>. (13).

При таком выборе введём следующие обозначения для компонент поля и параметров вращения:

в>?в?=v?cH?HzE?Er (14).

Между положительно заряженным протоном и отрицательно заряженным электроном должна существовать сила кулоновского притяжения ([5], § 24):

Fe=eг{E?[в>ЧH]} (15).

Здесь г=11?в2v.

Кроме силы F_e на вращающийся электрон будет действовать сила Лоренца, возникающая за счёт его взаимодействия с магнитным моментом протона м_p. Движущийся в магнитном поле H наблюдатель «видит» в своей системе электрическое поле ([5], § 24, (24.2)):

EL=???в>ЧH+[в>ЧE]1?в2???v???, (16).

которое проявляется в силе Лоренца:

F_L = eE_L (17).

В равновесии силы F_e и F_L будут уравновешены центробежной силой.

Fc=mec2в2R01?в2???vR0R0. (18).

и силой, создаваемой магнитным полем кольца стремящейся его разорвать.

Fb=eвм0R30. (19).

здесь м_p и м₀ — магнитные моменты протона и токового кольца.

Таким образом, получаем уравнение, определяющее равновесие сил:

eг (eR20+вгмpR30)+eгв (гмpR30?вeR20)=гв2mec2R0+eвм0R30. (20).

В результате это уравнение равновесия с неизвестными R₀ и в приобретает вид:

R0бrc=(1в2?1+2мpвeR0?м0вгeR0). (21).

здесь б = e²?/?hc — постоянная тонкой структуры,.

r_c = h?/?m_ec — радиус Комптона, м₀ = eR₀в?/?2 — магнитный момент токового кольца.

В этой системе электрическое поле направлено по радиусу.

E?Er=eR20R0R0. (22).

Магнитное поле в системе создаётся магнитным моментом протона.

H=гм>pR30. (23).

В результате учёта этих слагаемых уравнение с неизвестными R₀ и в приобретает вид:

R0бrc=(1в2?1+2мpвeR0?м0вгeR0). (24).

Здесь б = e²?/?hc — постоянная тонкой структуры,.

r_c = h?/?m_ec — радиус Комптона.

Для того чтобы записать второе уравнение, связывающее эти параметры, используем теорему вириала. Согласно этой теореме кинетическая энергия частиц, объединённых электромагнитным взаимодействием, при их финитном движении равна половине их потенциальной энергии, взятой с обратным знаком:

Ekin=?e2(ц+вA)=e2{eR0?м0R20+в1?в2???vмpR20} (25).

С другой стороны, согласно определению, кинетическая энергия релятивистского электрона:

Ekin=mec2(11?в2???v?1), (26).

поэтому второе уравнение, связывающие эти параметры, приобретает вид:

mec2(11?в2???v?1)=12{e2R0?eм0R20+в1?в2???veмpR20}. (27).

Решая совместно уравнения (24) и (27), получаем:

R₀ = 0,3808?бr_c? 1,0732· 10-¹³?см (28).

и в? 0,92 448 (29).

Основные параметры нейтрона

Вычислив эти неизвестные, мы можем определить магнитный момент нейтрона, его массу и энергию распада.

Обобщённый момент импульса (спин) токового кольца (спин) ([3], sec. 2.3).

S₀ = [p₀ Ч R₀] = 0. (30).

При этом магнитный момент токового кольца, выраженный в ядерных магнетонах м_N

о0=eR0в2мN??4,7176. (31).

Поэтому суммарный магнитный момент протона и кольца о_p + о₀ = 2,793 — 4,7095 = -1,9246. (32).

Эта величина хорошо согласуется с измеренным значением магнитного момента нейтрона (о_n = -1,91 304 272):

оp+о0оn?1,0061. (33).

Сумма массы протона и релятивистского электрона точно согласуется с массой нейтрона:

mp+me1?в2vmn=1,0001. (34).

Согласно теореме вириала полная энергия рассматриваемой системы должна быть равна её кинетической энергии (26):

E_kin = 1,329· 10-⁶ эрг? 829 кэВ. (35).

Эта энергия при распаде нейтрона перейдёт в кинетическую энергию вылетающего электрона (и антинейтрино), что точно согласуется с экспериментально определённой границей спектра распадных электронов, равной 782 кэВ.