Когерентное рассеяние нейтронов

Когда мы говорим о рассеянии нейтронов, мы находимся в квантово-механическом режиме. Сечение рассеяния в идеале полностью определено, если известна волновая функция задачи «нейтрон + масса ---> нейтрон + масса» как для упругого, так и для неупругого рассеяния.

Неупругое рассеяние означает, что нейтрон передает часть своей энергии, ударяясь о ядро, тогда как упругое означает, что он не теряет энергию, а только меняет направление. Это объясняется в ссылке, которую вы дали.

Чего я не понимаю, так это того, что, поскольку ядро ​​намного больше нейтрона, классически нейтрон может даже отскочить назад после столкновения, и, таким образом, угол рассеяния будет довольно большим.

Для небольшого процента упругого рассеяния, в зависимости от энергии и типа массы, на которой рассеиваются нейтроны, существует вероятность рассеяния назад, см. здесь , например. Для установки, описанной в ссылке, которую вы даете, выбраны упругие рассеяния на малые углы , потому что фазы известны (когерентны), поэтому может быть суперпозиция волновых функций нейтронов. Поперечное сечение представляет собой комплексно-сопряженный квадрат волновой функции, поэтому может возникнуть интерференция.

Так как же объяснить малый угол рассеяния?

Это выбор для данного исследования, малые углы рассеяния дают полезные интерференционные картины, а также более вероятны при квантово-механической оценке вероятности. Шум вносит неупругое рассеяние нейтронов на ядрах (сильное взаимодействие, а не электромагнитное). Эластичные сохраняют фазы и могут передавать полезную информацию.

В дополнение к ответу anna v хотелось бы уточнить некоторые моменты вашего вопроса. Предположим взаимодействие, описывающее рассеяние нейтронов на веществе (скажем, атомном ядре). Независимо от типа взаимодействий (о них я расскажу ниже) их можно охарактеризовать величиной$q^{2} = q_{\mu}q^{\mu}$, где$q_{\mu}$– 4-импульс, переданный от нейтрона веществу. Как обсуждается здесь ,$q^{2}$тесно связано с расстоянием$r$взаимодействия; а именно$q^{2}\simeq r^{-2}$.

В общем случае необходимо учитывать все возможные значения$q^{2}$. Пока$r \gg r_{n}$, где$r_{n}$— радиус нейтрона, нейтрон можно интерпретировать как точечную частицу, а рассеяние обычно упругое; эквивалентно,$r \gg r_{n}$Значит это$q^{2} \ll r_{n}^{-2}$. В центре масс рамы (ЦМ),

$$\tag 1 q^{2} = -4|\mathbf p_{\text{CM}}|^{2}\sin^{2}\left(\frac{\theta_{\text{CM}}}{2}\right),$$ где $|\mathbf p_{\text{CM}}|$– 3-импульс нейтрона в системе КМ, а $\theta_{\text{CM}}$— угол рассеяния ЦМ. От $(1)$вы видите, что малость $q^{2}$значит, для фиксированного $|\mathbf p_{\text{CM}}|$, малость $\theta_{\text{CM}}$; чем больше $|\mathbf p_{\text{CM}}|$есть, чем меньше $\theta_{\text{CM}}$должно быть в порядке $q^{2}$быть маленьким. Но малость $\theta_{\text{CM}}$просто означает, что рассеянный нейтрон движется почти в том же направлении, что и входящий. Это то, что можно назвать когерентным рассеянием .

Давайте теперь кратко поговорим о типах взаимодействий. Нейтрон взаимодействует с веществом путем испускания носителей взаимодействия, которые в зависимости от величины$q^{2}$могут быть фотоны,$W,Z$-бозоны, глюоны, пионы и др.; нейтрону не нужно поглощаться и переизлучаться, чтобы взаимодействовать. Все носители можно разделить на носители сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий. В зависимости от типа взаимодействия нейтрона с веществом доминирующий вклад в полное сечение рассеяния дают разные значения$q^{2}$. Сильные и слабые взаимодействия обычно характеризуются большими$q^{2}$обычно больше, чем$r_{n}^{-2}$, а для малых $q^{2}$; вот почему мы называем это дальнодействующим взаимодействием. Последнее качественно объясняет наличие взаимодействия малых углов рассеяния.