Нейтронная оптика

Нейтро́нная о́птика — раздел нейтронной физики, в рамках которого изучается взаимодействие медленных нейтронов со средой и с электромагнитным и гравитационным полями.

В условиях, когда длина

${\displaystyle \lambda ={h \over {mv}}}$

Показатель преломления n для нейтронов на границе вакуум — среда равен:

${\displaystyle n={\lambda \over {\lambda _{1}}}={v_{1} \over {v}},}$

где λ₁ и v₁ — длина волны и скорость нейтрона в среде, λ и v — в вакууме. Если ввести усреднённый по объёму вещества потенциал U взаимодействия нейтрона с ядрами, то кинетическая энергия ${\displaystyle {\mathcal {E}}_{1}}$ нейтрона в среде равна:

${\displaystyle {\mathcal {E}}_{1}={\mathcal {E}}-U,}$

где ${\displaystyle {\mathcal {E}}}$ — кинетическая энергия нейтрона в вакууме. Потенциал U связан со свойствами среды:

${\displaystyle U={h^{2}Nb \over {2\pi m}},}$

где N — число ядер в единице объёма, b — когерентная длина рассеяния нейтронов ядрами. Отсюда:

${\displaystyle n^{2}={\frac {{\mathcal {E}}_{1}}{\mathcal {E}}}=1-{\frac {h^{2}Nb}{\pi m^{2}v^{2}}}=1-{\frac {v_{0}^{2}}{v^{2}}},}$

где величина ${\displaystyle v_{0}={\frac {h}{m}}{\sqrt {\frac {Nb}{\pi }}}}$ называется граничной скоростью. Для большинства ядер b > 0, поэтому ${\displaystyle U>0,\,{\mathcal {E}}<{\mathcal {E}}_{1},\,n<1.}$ Нейтроны с ${\displaystyle v<v_{0}}$ имеют ${\displaystyle {\mathcal {E}}<U}$ и не могут проникнуть в среду. Такие нейтроны испытывают

где ${\displaystyle \alpha ^{2}={hN\sigma v \over {2\pi m}}}$ — эффективное сечение всех процессов, приводящих к выбыванию нейтронов из пучка, ${\displaystyle n'}$ и ${\displaystyle n''}$ — действительная и мнимая части показателя преломления. Для ультрахолодных нейтронов ${\displaystyle (v<v_{0})\quad n'<n''}$, и их отражение аналогично отражению света от металлов. Для веществ с ${\displaystyle b<0\quad n^{2}>1,}$ и нейтронная оптика аналогична световой оптике диэлектриков. В частности, углы падения и преломления нейтронного пучка связаны

Учёт внешних магнитных и гравитационных полей приводит к выражению для показателя преломления:

${\displaystyle n^{2}=1-{\frac {h^{2}Nb}{\pi m^{2}v^{2}}}\pm {\frac {2\mu B}{mv^{2}}}+{\frac {2gH}{v^{2}}},}$

где знаки ± соответствуют двум возможным ориентациям магнитного момента μ нейтрона относительно вектора магнитной индукции B (то есть двум возможным поляризациям нейтронов), g — ускорение свободного падения, H — высота. Аналогичное выражение описывает преломление света в среде с плавно меняющимся показателем преломления (

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.

Если нейтроны взаимодействуют только с магнитным полем, то:

${\displaystyle n^{2}=1\pm {2\mu B \over {mv^{2}}}}$

При этом для нейтронов с ${\displaystyle v^{2}<{2\mu B \over {m}}}$ создаются условия для полного отражения от границы объёма, содержащего магнитное поле. В неоднородных полях ${\displaystyle \mathrm {grad} \,B\neq 0}$ 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.

Дифракция нейтронов во многом подобна дифракции

• Широков Ю. М., Юдин Н. П. Ядерная физика. — М.: Наука, 1972. — 670 с.
• Лущиков В. И. Нейтронная оптика // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1992. — Т. 3: Магнитоплазменный — Пойнтинга теорема. — С. 273—275. — 672 с. — 48 000 экз. — ISBN 5-85270-019-3.

В статье не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску). Информация должна быть проверяема, иначе она может быть удалена. Вы можете отредактировать статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок. (19 июня 2018)