Если U — средний по объёму среды потенциал взаимодействия нейтронов с ядрами, то при попадании в среду нейтрон должен совершить работу. Его начальная кинетическая энергия E = mv² /2 в среде уменьшается: E ₁ = E - U. При U > 0 скорость нейтронов в среде уменьшается v ₁ < v, l₁ > l и n < 1. При U < 0 скорость возрастает и n > 1. Если ввести для нейтронных волн величину, аналогичную диэлектрической проницаемости : e = n² , то: e = l² /l₁ ² = v₁ ² /v² = E ₁ /E . Потенциал U = h² Nb /2pm, откуда:

  e = n² = 1 — h² Nb/ pm² v² .      (2)

Здесь b — когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами, a N — число ядер в единице объёма среды. Для большинства веществ b > 0, и формуле (2) можно придать вид:

  Нейтроны со скоростью v < v имеют энергию E < U, для них n² < 0, т. е. показатель преломления мнимый. Такие нейтроны не могут преодолеть силы отталкивания среды и полностью отражаются от её поверхности. Они получили название ультрахолодных нейтронов . Для металлов v ~ м/сек (например, для Cu v = 5,7 м/сек ).

  Скорость тепловых нейтронов в несколько сот раз больше, чем ультрахолодных, и n близко к 1 (1 — n » 10^-5 ). При скользящем падении на поверхность плотного вещества пучок тепловых нейтронов также испытывает полное отражение, аналогичное полному внутреннему отражению света. Это имеет место при углах скольжения j £ j_кр , т. е. при углах падения

Критический угол определяется из условия:

  Например, для меди j_кр = 9,5'. Можно показать, что условие полного отражения (4) эквивалентно требованию: v_z £ v , где v_z — компонента скорости нейтрона, нормальная к отражающей поверхности. Скорость холодных нейтронов в несколько раз меньше, чем тепловых, а угол j_кр — соответственно больше.

  Полное отражение используется для транспортировки тепловых и холодных нейтронов с минимальными потерями от ядерного реактора к экспериментальным установкам (расстояния ~ 100 м ). Это осуществляется с помощью зеркальных нейтроноводов — вакуумированных труб, внутренняя поверхность которых отражает нейтроны. Зеркальные нейтроноводы делают из меди или стекла (с напыленным металлом или без него).

  В действительности коэффициент отражения нейтронов всегда немного меньше единицы. Это связано с тем, что ядра не только рассеивают нейтроны, но и поглощают их. Учёт поглощения приводит к уточнению формулы (3):

  Здесь s — эффективное поперечное сечение всех процессов, приводящих к ослаблению нейтронного пучка. Для холодных и ультрахолодных нейтронов существенна сумма сечений захвата и неупругого рассеяния, величина которых обратно пропорциональна скорости v. Поэтому произведение sv не зависит от v. Это означает, что e и n для нейтронов, как и в оптике, комплексные величины: e = e’ + i e’’, n = n’ + in’’. Для ультрахолодных нейтронов действительная часть e, т. е. e' < 0 и n’’ > n’. В случае света это характерно для металлов, и отражение ультрахолодных нейтронов от многих веществ аналогично отражению света от металлов с чрезвычайно высокой отражательной способностью (см. Металлооптика ). Если b < 0, то в формуле (5) перед членом v ² /v² стоит знак + и e > 1 (возрастает с уменьшением v ). Такие вещества отражают и преломляют очень медленные нейтроны, как диэлектрики свет.

  Формулу (2) легко обобщить на случай присутствия в среде магнитного поля, добавив к энергии U взаимодействия нейтронов со средой энергию магнитного взаимодействия ± mВ, где m — магнитный момент нейтрона, В — магнитная индукция (знаки ± относятся к двум возможным ориентациям магнитного момента нейтрона относительно вектора В, т. е. к двум поляризациям нейтронного пучка):

  n ² = 1 - h ² Nb /pm ² v ² ± 2mB /mv ²      (6)

  Выбором материала для отражающего зеркала, магнитного поля и угла скольжения можно добиться того, чтобы нейтроны одной из двух поляризаций испытывали полное отражение, а другой — нет. Подобное устройство используется для получения пучков поляризованных нейтронов и для определения степени их поляризации.

  На принципах Н. о. основан ряд устройств, используемых как в экспериментальной технике, так и для решения практических задач: нейтронные зеркала, прямые и изогнутые нейтроноводы полного внутреннего отражения, нейтронные кристаллические монохроматоры, зеркальные и кристаллические поляризаторы и анализаторы нейтронов, устройства, позволяющие фокусировать нейтронные пучки, преломляющие призмы, нейтронный интерферометр и т.д. Дифракция нейтронов широко применяется для исследования субмикроскопических свойств вещества: атомно-кристаллической структуры, колебаний кристаллической решётки , магнитной структуры и её динамики (см. Нейтронография ).

  Лит.: Ферми Э., Лекции по атомной физике, пер. с англ., М., 1952; Юз Д., Нейтронная оптика, пер. с англ., М., 1955; Гуревич И. И., Тарасов Л. В., Физика нейтронов низких энергии, М., 1965; Франк И. М., Некоторые новые аспекты нейтронной оптики, «Природа», 1972, № 9. См. также лит. при ст. Нейтронография .

  Ю. М. Останевич, И. М. Франк.

Нейтронная радиография

Нейтро'нная радиогра'фия, получение изображения образца в результате воздействия на фоточувствительный слой вторичных излучении, возникающих в образце при облучении его нейтронами. Н. р. применяется главным образом для исследования металлов, сплавов, минералов с целью выявления наличия и размещения в них различных примесей (см. Дефектоскопия ). В результате захвата нейтрона ядра становятся радиоактивными (см. Нейтронная спектроскопия , Медленные нейтроны ). Метод Н. р. основан на разной вероятности захвата нейтронов различными атомными ядрами. Если облученный нейтронами образец (обычно тонкая пластинка) совместить с фотоплёнкой, то на проявленном снимке получаются участки с различной степенью почернения (нейтронная фотография). Более тёмные участки соответствуют ядрам, которые сильнее поглощают нейтроны. Наличие и размещение некоторых примесей в образце можно определять не только по вторичным излучениям, но также по ослаблению первичного нейтронного потока в результате поглощения нейтронов ядрами примесей. Между образцом и фотослоем помещают фольгу из элемента, который становится под действием нейтронов b-активным (Ag, Dy, In). В этом случае более светлые пятна соответствуют более сильному поглощению нейтронов.