Основы нейтронной физики

Свойства нейтронов

Основные параметры нейтронов. Нейтрон – это элементарная частица, один из двух нуклонов (см. выше), который наряду со вторым нуклоном – протоном – является «кирпичиком», из которых состоят все атомные ядра. Параметры нейтрона и протона либо одинаковы, либо очень близки. Так у них одинаковые спины, равные ½, одинаковые размеры, они одинаково взаимодействуют между собой ядерными силами, у них почти одинаковые массы (m_n = 1,008665 а.е.м., m_p = 1,007276 а.е.м). Наиболее существенное отличие нейтрона от протона состоит в том, что нейтрон электрически нейтрален, а протон обладает положительным электрическим зарядом +е. Благодаря последнему обстоятельству, нейтроны могут свободно проникать в атомные ядра при любых энергиях, вызывая различные ядерные превращения. Другим отличием протона от нейтрона является то, что протон – абсолютно устойчивая, стабильная частица, а нейтрон в свободном состоянии испытывает бета-распад n → p + e^- + ν с периодом полураспада около 11 мин.

При взаимодействии нейтронов с другими ядрами могут происходить различные реакции. Опишем их подробнее и подчеркнем их самые характерные черты.

Радиационный захват нейтронов. Эта реакция отличается своей «универсальностью»: она может идти на любых ядрах при любых энергиях нейтронов. В общем виде реакция радиационного захвата нейтронов может быть записана так: , т.е. при ней образуется соседний изотоп исходного элемента. Очень часто этот изотоп оказывается нестабильным и распадается путем бета-распада, например: . В таких случаях облучение нейтронами приводит к возникновению искусственной радиоактивности, а сам процесс превращения исходного нерадиоактивного вещества в радиоактивный продукт называется активацией вещества.

Изменение активности облучаемого образца во времени описывается формулой: A(t)=A_∞( 1 – e^-λt), в которой A_∞ - активность образца, которая достигается при бесконечно долгом облучении. Иногда эта величина называется активностью насыщения или равновесной активностью, потому что после того, как она будет достигнута, дальнейшее нарастание активности прекращается, так как наступает равновесие между числом образующихся радиоактивных ядер и их распадом. На активации веществ под действием нейтронов основан метод т.н. «активационного анализа», который получил широкое распространение для решения самых разных задач.

Радиационный захват не всегда приводит к появлению искусственной радиоактивности. Так захват нейтронов ядрами основных изотопов водорода, кислорода, азота, железа и многих других нуклидов приводит к образованию стабильных ядер: ¹H(n,γ)²H, ¹⁶O(n,γ)¹⁷O, ¹⁴N(n,γ)¹⁵N,⁵⁶Fe(n,γ)⁵⁷Fe.Отсюда следует, что химически чистые вода, воздух, железо и некоторые другие вещества относительно слабо активируются нейтронами, и наведенная активность таких сред может быть обусловлена не основным веществом, а примесями к нему, которые хотя и содержатся в малых количествах, но активироваться могут очень сильно. Это говорит о необходимости тщательной фильтрации выбрасываемых во внешнюю среду воздуха и воды, побывавших в контакте с нейтронами.

Эффективные сечения радиационного захвата нейтронов сильно зависят как от типа ядер, так и от энергии нейтронов. Для удобства весь диапазон энергий нейтронов, с которым приходится иметь дело в физике реакторов, разбивают на три области:

тепловые нейтроны – с энергиями ниже 0,4 эВ;

промежуточные нейтроны – с энергиями от 0,4 эВ примерно до 10 кэВ и

быстрые нейтроны – с энергиями выше 10 кэВ.

В области тепловых нейтронов эффективные сечения радиационного захвата обычно плавно уменьшаются с ростом энергии нейтронов обратно пропорционально их скорости (закон «1/v»). Для простых расчетов бывает достаточно усреднить эти сечения по всей тепловой области. Эти средние значения сечений публикуются в таблицах, которые показывают, что даже у соседних изотопов одного элемента сечения захвата могут отличаться на несколько порядков (см. табл.1.1).

Таблица 1.1. Средние значения сечений радиационного захвата тепловых нейтронов (в барнах)

В области промежуточных нейтронов кривые зависимости сечений захвата от энергии нейтронов ведут себя нерегулярно: при некоторых значениях энергий кривая круто поднимается вверх, достигая значений в десятки тысяч барн, а затем также круто падает вниз до единиц барн или даже долей барна. Такие крутые пики называются нейтронными резонансами. Они показывают, что при определенных значениях энергий нейтронов вероятность их захвата ядром очень велика, тогда как при небольшом изменении энергии вверх или вниз вероятность захвата резко падает. Причина этих колебаний связана с квантовой дискретностью ядерных уровней. Наибольших значений сечения захвата достигают при таких энергиях нейтронов, при которых энергия возбуждения образующегося ядра, складывающаяся из энергии связи нейтрона и его кинетической энергии, точно соответствует энергии возбуждения одного из уровней этого ядра, а при несоответствии энергии возбуждения и энергии уровня вероятность захвата нейтрона очень мала.

По мере увеличения энергии нейтронов расстояния между резонансами уменьшаются, а их ширины возрастают, благодаря чему резонансные пики начинают наползать друг на друга, постепенно сливаются и в области быстрых нейтронов кривая зависимости сечения захвата от энергии опять становится плавной, а значения сечений продолжают убывать примерно обратно пропорционально энергии нейтронов. Другой особенностью области быстрых нейтронов является то, что в ней почти теряются индивидуальные особенности ядер: по мере увеличения массового числа сечения сначала плавно возрастают, а начиная с А≈ 100 практически перестают зависеть от параметров ядра и для всех ядер оказываются порядка 0,1 барн. И только для магических ядер сечения выпадают из этой плавной зависимости и оказываются гораздо меньше сечений соседних ядер, что лишний раз говорит об особой прочности магических ядер, которые «не хотят» вступать ни в какие взаимодействия.

Нейтронные реакции с вылетом заряженных частиц. К таким реакциям относятся, в основном, реакции (n,p) и (n,α). Их практическое значение состоит в том, что с их помощью можно регистрировать нейтроны. Благодаря большой проникающей способности нейтроны свободно проходят через обычные детекторы излучения, не оставляя в них никаких следов. Поэтому большинство детекторов, о которых говорилось выше, для регистрации нейтронов не пригодны. Если же в детекторе находится вещество, на ядрах которого могут идти реакции (n,p) и (n,α), то возникающие при этих раекциях быстрые протоны или альфа-частицы могут создавать ионизацию вещества, и тем самым приводить к появлению сигналов, которые могут быть зарегистрированы электронными приборами.

Наибольшее распространение получили три ядерные реакции, основные параметры которых приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Основные параметры некоторых ядерных реакций типов (n,p) и (n,α).

Гелием-3 наполняют пропорциональные счетчики или ионизационные камеры. Бор тоже можно использовать для наполнения счетчиков газообразным соединением BF₃ или использовать его в виде твердого покрытия, наносимого на внутреннюю поверхность стенок счетчиков. Для лития подходящее газообразное соединение не существует, поэтому его применяют в виде твердых покрытий или в виде тонких пластинок (радиаторов), помещаемых между двумя полупроводниковыми детекторами, которые и регистрируют вылетающие из радиатора альфа-частицы и ядра трития. Литий можно использовать также в виде кристаллов LiI в сцинтилляционных детекторах.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: