2.3 Взаимодействие нейтронов с веществом

При прохождении нейтронов через вещество могут иметь место два вида взаимодействия их с ядрами поглощающей среды. В результате соударения нейтронов с ядрами вещества природа последних не изменяется, а сами нейтроны рассеиваются на атомных ядрах. При этом следует рассматривать упругое и неупругое рассеяния.

При втором виде взаимодействия изменяется природа соударяющихся частиц. Происходят ядерные реакции типа (п,α), (п,р), (п,γ), (п,2п) и т. д., или наблюдается деление тяжелых ядер.

Вероятность прохождения той или иной реакции определяется микроскопическим сечением реакции σ (п,α), σ (п,р), σ (п, γ),σ (п,2п) и т. д.

Микроскопическое сечение σ можно представить себе как сечение сферы, описанной вокруг ядра. Пересекая эту сферу, нейтрон может вступить в реакцию с ядром.

Вне этой сферы взаимодействия не происходит. Микроскопическое сечение измеряется в квадратных сантиметрах (см²) и барнах ( 1 барн (б) = 10^-24 см²). Каждый радионуклид имеет определенное значение σ, зависящее от энергии нейтронов.

В зависимости от энергии нейтроны можно условно разделить на следующие группы.

1. Ультрахолодные нейтроны – нейтроны с энергией менее 10^-7 эВ.

2. Холодные нейтроны – нейтроны с энергией меньше 0,005 эВ.

3. Тепловые нейтроны, находящиеся в термодинамическом равновесии с рассеивающими атомами окружающей среды. Их энергия 0,025-0,1 эВ.

4. Надтепловые нейтроны обладают энергией от 0,1 эВ до 0,5 кэВ.

5. Нейтроны промежуточных энергий от 0,5 кэВ до 0,2 МэВ. Для нейтронов этих энергий наиболее типичный процесс взаимодействия с веществом – упругое рассеяние.

6. Быстрые нейтроны с энергией от 0,2 до 20 МэВ. Характеризуются как упругим, так и неупругим рассеянием и возникновением пороговых ядерных реакций.

7. Сверхбыстрые нейтроны обладают энергией выше 20 МэВ. Они отличаются ядерными реакциями с вылетом большого числа частиц.

Основные типы взаимодействия нейтронов с веществом.

1. Упругое рассеяние нейтронов. Реакция упругого рассеяния нейтронов на ядрах аналогична упругому столкновению двух упругих шаров. Между нейтроном и ядром происходит обмен кинетической энергией без изменения внутреннего состояния ядра.

Сечение упругого рассеяния σ_s большинства веществ зависит от энергии в быстрой области, а в тепловой и промежуточной областях оно почти постоянно. Исключением является водород, сечение упругого рассеяния которого резко падает в тепловой области – от 80 до 20 барн.

Упругое рассеяние используют для замедления быстрых нейтронов. Для этого применяют вещества, состоящие из легких атомов и слабо поглощающие нейтроны. Такие вещества (вода, берилий, углерод и др.) называют замедлителями.

2. Неупругое рассеяние нейтронов. Быстрые нейтроны могут испытывать при столкновении с ядрами неупругое рассеяние. В результате неупругого рассеяния ядро отдачи переводится в возбужденное состояние. При неупругом рассеянии нейтрон расходует часть кинетической энергии на возбуждение ядра. Возбужденные ядра переходят в основное состояние, испуская γ - кванты.

Неупругое рассеяние – пороговая реакция. Чтобы быстрый нейтрон рассеялся неупруго, его энергия должна превышать энергию первого возбужденного уровня ядра – мишени. Энергия первого возбужденного уровня зависит от массового числа А. С увеличением А она уменьшается от нескольких мегаэлектронвольт до 100 кэВ и ниже.

Сечения пороговых реакций, в том числе и неупругого рассеяния, становятся отличными от нуля только при энергиях Е_п=Е_пор. Эти сечения сначала быстро возрастают, а затем монотонно стремятся к постоянному значению с увеличением энергии нейтронов.

3. Поглощение нейтронов. В (п,b)-реакции нейтрон поглощается, а вместо него испускается частица b. Например: радиационный захват нейтронов – (п, γ)- реакция, деление ядер – (n,f)- реакция, (п,р)-, (п,α)- реакции и др. Одни (п,b)- реакции идут при всех энергиях нейтронов, другие являются пороговыми реакциями.

Зависимость сечений поглощения, σ_α экзоэнергетических реакций от энергии нейтронов Е_п имеет ряд особенностей. В тепловой области сечение поглощения большинства веществ изменяется по закону 1/v,т.е. сечение поглощения обратно пропорционально скорости нейтронов v

С учетом всех возможных процессов, в которых нейтрон поглощается, сечение, σ_α представляется в виде суммы

σ_α= σ_γ + σ_α + σ_f,

где σ_γ – сечение радиационного захвата;

σ_α – сечение (n,α)- реакции;

σ_f – сечение деления.

4. Радиационный захват. В (п,γ)- реакциях получают новые изотопы элемента. Энергия возбуждения ядра равна сумме энергии связи нейтрона в составном ядре и кинетической энергии нейтрона до реакции. Она высвечивается в виде γ- квантов, испускаемых мгновенно. Новый изотоп может быть как стабильным, так и радиоактивным. Так, в реакции H(n,y)D возникает стабильный изотоп, а реакция возникает стабильный изотоп, а в реакции Na²³(n, y)Na²⁴ – β ^– - активный, с периодом полураспада 15 ч.

5. Деление ядер. При захвате нейтрона некоторые тяжелые ядра способны делиться на два более легких ядра (осколки деления). Изотопы U²³³, U²³⁵, Ри²³⁹ делятся под действием нейтронов любой энергии. Эти изотопы называют делящимися.

Для группы тяжелых ядер (Th²³², U²³⁸, Рu²⁴⁰ и др.) деление является пороговой реакцией.

В каждом делении ядра освобождается около 200 МэВ энергии. Примерно 165 МэВ энергии деления выделяется в виде кинетической энергии осколков, разлетающихся с большой скоростью в противоположных направлениях.

Осколки деления пересыщены нейтронами, поэтому они β ^– - активны. Каждый осколок испытывает цепочку радиоактивных распадов, прежде чем превратится в стабильный изотоп. В процессе деления испускаются два-три быстрых нейтрона. Это позволяет при определенных условиях осуществить цепную ядерную реакцию [1], [3].