Рассеяние нейтронов на ядрах может быть упругим и неупругим

При упругом рассеянии нейтрон, столкнувшись с ядром, меняет направление движения, передавая ядру часть своей энергии. В этом случае суммарная кинетическая энергия рассеянного нейтрона (É_n) и ядра отдачи (Е_яд) равна кинетической энергии первичного нейтрона:

Е_n = Е_яд + É_n (2)

Энергию, полученную ядром отдачи и, следовательно, потерянную нейтроном, можно определить по формуле:

где М_яд, m_n ‑ соответственно массы ядра отдачи и нейтрона, а.е.м..

Из формулы (3) видно, что энергия отдачи зависит от угла его отлета (Q). Поскольку определить этот угол в каждом конкретном случае невозможно, то на практике часто пользуются формулой для определения средней энергии ядер отдачи:

В процессе упругого рассеяния энергия нейтрона постепенно уменьшается и приближается к энергии теплового движения атомов и молекул среды, равной примерно 0,025 эВ, т.е. такие нейтроны становятся тепловыми. Чтобы нейтрон с первоначальной энергией 1 МэВ стал тепловым, число столкновений с ядрами водорода должно быть n = 25. В углероде энергия достигает 0,025 эВ после 100 столкновений, а при взаимодействии с ядрами урана — после 2100 столкновений. Этот процесс завершается примерно через 10^-6с. Тепловой нейтрон будет блуждать в веществе до тех пор, пока не будет захвачен одним из ядер атомов поглощающей среды, в результате чего произойдет следующая реакция:

Этот тип взаимодействия называется радиационным захватом с испусканием фотона. В ядерных реакторах, где создаются мощные потоки тепловых нейтронов, ядерная реакция указанного типа используется для получения искусственных радионуклидов. Можно считать, что в других веществах нейтроны с энергией приблизительно до 1 МэВ преимущественно испытывают упругое рассеяние.

Не только тепловые, но и быстрые нейтроны могут быть захвачены ядрами атомов. В результате произойдет ядерная реакция с вылетом α-частицы, протона и т.д. и образуется ядро другого элемента:

Этот тип взаимодействия называется радиационным захватом с испусканием заряженной частицы.

Анализ обеих формул показывает, что чем легче ядра вещества, тем большую энергию передают им нейтроны при каждом акте рассеяния и тем быстрее замедляются сами.

Таким образом, самым эффективным замедлителем нейтронов является водород. Однако от хорошего замедлителя нейтронов требуется, чтобы он слабо поглощал нейтроны, т.е. имел малое сечение ядерных реакций. В этом отношении водород уступает некоторым другим атомам. Идеальным замедлителем является гелий-4, который нейтронов вообще не поглощает, т.к. изотоп ₂He⁵ не существует. Но гелий – газ, сжижающийся при сверхнизких температурах, труднодостижимых в ядерных реакторах и других нейтронных установках. Поэтому на практике для замедления нейтронов используют другие вещества. В качестве превосходного замедлителя может выступать "тяжелая" вода (D₂O), поскольку сечения поглощения нейтронов и для дейтерия, и для кислорода очень малы. Хорошими замедлителями являются также графит, бериллий и двуокись бериллия.

При неупругом рассеянии ядро отдачи оказывается в возбужденном состоянии, из которого оно переходит в основное, испуская гамма‑квант.

Рисунок 1 - Упругое рассеяние нейтронов

Рисунок 2 - Неупругое рассеяние нейтронов

Неупругое рассеяние возможно при энергии нейтронов, превышающих энергию первого уровня возбуждения ядра. Для возбуждения легких ядер нужна большая энергия (>1МэВ), а для возбуждения тяжелых – значительно меньшая (~0,1МэВ). Поэтому процесс неупругого рассеяния более вероятен для сверхбыстрых нейтронов и тяжелых ядер.

В этом случае суммарная кинетическая энергия рассеянного нейтрона (É_n) и ядра отдачи (Е_яд) равна кинетической энергии первичного нейтрона:

Е_n = Е_яд + É_n

Вторым типом взаимодействия нейтронов с веществом являются ядерные реакции. Они заключаются в захвате нейтронов ядром и последующей трансформации ядра. Трансформация может заключаться в испускании ядром какой-либо частицы (или нескольких частиц), гамма‑кванта или завершаться делением ядра.

При захвате нейтрона ядром может произойти ядерная реакция, в процессе которой образуется ядро исходного нуклида, но при этом энергия испущенного нейтрона меньше энергии захваченного:

Дата добавления: 2014-01-20