H - Санкт-Петербургский государственный университет

Санкт-Петербургский государственный университет
Кафедра ядерно-физических методов исследования
И.С. Дубицкий, А.В. Сыромятников
Особенности взаимодействия медленных
нейтронов с веществом: природа магнитного
момента – модель рамки с током или модель
диполя?
1
Особенности
взаимодействия медленных нейтронов с веществом
План доклада
Медленные нейтроны – энергия существенно меньше 1 эВ
Основные виды взаимодействий нейтронов с веществом:
1. Магнитные взаимодействия
a)
Магнитный момент нейтрона – магнитный момент электронной оболочки атома
b)
Магнитный момент нейтрона – магнитный момент ядра
c)
Магнитный момент нейтрона – электрическое поле ядра (взаимодействие Швингера)
d)
Нейтрон-электронное взаимодействие (связано с релятивистским «дрожанием» нейтрона)
2. Ядерные взаимодействия
a)
Без образования промежуточного возбужденного ядра (потенциальное рассеяние)
b)
C образованием промежуточного ядра (возможные каналы распада: испускание  -кванта,
испускание заряженных частиц, деление ядра, упругое и неупругое рассеяние )
Для описания взаимодействий достаточно использовать первый порядок теории
возмущений (Борновское приближение)
22
Магнитные
заряды и рамка с током
План доклада
Эксперимент*
Спин нейтрона считается известным.
Рассматриваются скрещенные постоянное и
осциллирующее поля.
Поляризатор и анализатор – железо
1  ларм  2 N H
μ n  1.91μ N
При достижении
резонансной частоты
наблюдается ослабление
интенсивности
Теоретические выражения для сечения магнитного рассеяния
1936 г. Блох (Нобел. премия 1952) получил выражение для амплитуды магнитного рассеяния нейтронов.
1937 г. Швингер (Нобел. премия 1965) получил результат, не совпадающий с формулой Блоха.
В чем заключалось различие между выводами Блоха и Швингера?
1937 г. Блох заключил, что разные выражения для амплитуды рассеяния связаны с различными
представлениями о природе магнитного дипольного момента нейтрона. Блох – модель двух
связанных магнитных зарядов, Швингер – модель рамки с током.
*Alvarez, Bloch Physical review 57, p. 111, (1940)
33
Магнитные
заряды и рамка с током
План доклада
Является ли в действительности нейтрон рамкой с током или парой связанных магнитных
зарядов?
Нейтрон – ни то и ни другое. Описание в рамках КХД (Ioffe , Smilga, JETP Lett. 37, 298
(1983))
Поведение нейтрона в магнитном поле похоже больше на поведение рамки с током или
пары связанных зарядов?
Предсказания модели зарядов не согласуются с экспериментом. Предсказания модели
токов согласуются удовлетворительно.
Можно показать в рамках классической электродинамики и простой квантовой механики.
Почему Ф. Блоху в 1937 году было не очевидно, что магнитных зарядов нет?
1. Не существовало теории внутреннего строения нейтрона.
2. Существование магнитных зарядов – симметричный вид уравнений Максвелла
3. Существование хотя бы одного магнитного заряда – условие квантование
наблюдаемого электрического заряда любой элементарной частицы eg /  4   n / 2, n 
44
Магнитные
заряды и рамка с током, электродинамика
План доклада
Отличие точечной рамки с током от точечного диполя, состоящего из двух
связанных магнитных зарядов
Потенциалы
«Токовый» диполь:
divΒ  0, rotΒ   4 / c  j  Α  m  r / r 3
«Зарядовый диполь»:
divH  4 , rotH  0    m  r / r 3
Поля из выражений для потенциалов
ˆ m
3rˆ  rm
B

«Токовый» диполь:
r3
H
«Зарядовый диполь»:
В вакууме B  H , значит, выражения согласуются?
ˆ m
3rˆ  rm
r3
Да, но сами выражения неточны!
Поле диполя с учетом внутреннего поля диполя
ˆ   m 8
3rˆ  rm
B


m  r 
«Токовый» диполь:
r3
3
«Зарядовый» диполь:
H
ˆ   m 4
3rˆ  rm

m  r 
r3
3
B  H  4 M
В вакууме B  H, а в точке нахождения диполяM  m r
 

,значит, выражения все же согласуются.
Как же можно различить точечные «токовый» и «зарядовый» диполи?
5
5
Магнитные
заряды и рамка с током, электродинамика
План доклада
Энергия взаимодействия двух «токовых» диполей отличается от энергии
взаимодействия двух «зарядовых» диполей, если диполи расположены в одной
точке.
Wcurr
ˆ 1  m 2  m1m 2 8
3rˆ  rm
 m1B 

m1m 2  r 
3
r
3
Wcharge
ˆ 1  m 2  m1m 2 4
3rˆ  rm
 m1H 

m1m 2  r 
3
r
3
Коэффициенты при дельта-функциях различны. Несущественно для классической
электродинамики, крайне важно для квантовой механики. Волновые функции в
квантовой механике могут перекрываться, значит, матричные элементы будут различны
для Wcharge и Wcurr .
66
Магнитное
рассеяние нейтронов
План доклада
Рассеяние происходит только на спине электрона, рассеяние упругое, спиновые
состояния нейтрона и атома сохраняются после их взаимодействия.
Wint 
ˆ e  m n  m em n
3rˆ  rm
8


m em n  r 
r3
3
 1
«токовый» диполь
  1/ 2
«зарядовый» диполь
Амплитуда рассеяния:
f q  
mn
2
2
 q1σn | Wint,sum | q 2σn  
2 mn
2

ˆ ˆ    2 31 m
ˆ
m nm  q  qˆ  mq

m  q    M  r  exp  iqr  dr
Эффективные поля, действующие на «токовый» и «зарядовый» диполи в среде:
Можно ввести Wcharge  m n H med , Wcurr  m n B med
и показать, что ответ будет таким же.
77
Экспериментальная
План доклада проверка
Дифракция неполяризованных нейтронов на намагниченном ферромагнетике
Рассмотрим дифракцию от плоскости (111) магнетита Fe3O 4 . Амплитуда ядерного рассеяния
мала по сравнение с амплитудой магнитного рассеяния
Измерим интенсивность магнитного рассеяния в зависимости от направления намагниченности
Сечение магнитного рассеяния:
2
2
 d 
 Am a


 d   magn

2
1   mq
ˆ ˆ   sin 2 ( ) «токовый» диполь
a 
2
ˆ ˆ   cos 2  
 mq
«зарядовый» диполь
2
- угол между вектором рассеяния и направлением намагниченности
Shull, Wollan, Strauser, Physical review 81, 483 (1951)
88
Экспериментальная
План доклада проверка
Отражение неполяризованных нейтронов от намагниченного зеркала
Требования к материалу зеркала: оба коэффициента преломления (для нейтронов, спин которых
направлен вдоль и против намагниченности зеркала) меньше единицы, существуют два
критических угла (в рамках модели «токового» диполя). Пусть зеркало намагничено вдоль
направления падающей волны.
«Токовый» диполь:
m
 b

   coh  2 2 mn B 
2 h
 

1/2
 curr
Тангенциальная компонента напряженности непрерывна, но
вне зеркала она мала H  0 . Один критический угол для
«зарядового» диполя.
«Зарядовый» диполь:
m
 b

   coh  2 2 mn H 
2 h
 

1/2
 charge
Hughes, Burgy, Phys Rev, 81 , 498, (1951)
99
Вывод
План доклада
1. Предсказания теории, основанные на интерпретации магнитного момента
нейтрона в рамках модели контура с током, удовлетворительно
согласуются с экспериментальными данными.
2. Предсказания теории, основанные на интерпретации магнитного момента
нейтрона в рамках модели двух связанных зарядов, не согласуются с
экспериментальными данными.
10
10
Еще одно отличие «токового» диполя от «зарядового».
Fcurr    mB 
 Fcurr  Fcharge  m   rotB 

F

m

H

m

B




 charge
vac
Эффективное поле, действующее на диполь в среде:
Блох:
Непрерывность
тангенциальной
компоненты
напряженности
Непрерывность
нормальной
компоненты
индукции
11