Определение сечений взаимодействия нейтрона с ядром

Из предыдущего совершенно ясно, что предсказанием судьбы нейтрона, попавшего в ядро, заниматься необходимо, т.к. без знания вероятностей процессов, т.е. без знания сечения деления, поглощения, рассеяния, невозможно проектировать и строить реактор.

Как же определить эти сечения? Существуют 2 пути – расчетно-теоретический и экспериментальный.

Расчетно-теоретический путь: догадки, предположения (основанные на общих теоретических соображениях и различных экспериментах по рассеянию, поглощению нейтронов), в результате которых получены: модель ядра, нейтрона и модель процесса, теория взаимодействия нейтрона с ядром, расчет нужных сечений, уточнение модели в тех случаях, когда теория оказывается неверной и т.д.

Экспериментальный путь: рассмотрим опыты по определению сечений для ядра, которое не может делиться: _t = _s + _a

Опыт 1: абсолютно черные (поглощающие) экраны

Счетчик нейтронов

Источник нейтронов (н/с)

Толщина экрана такова, что вероятность пролета нейтронов через него мала. В этом опыте определим число нейтронов, пролетевших через отверстие.

Опыт 2:

экраны

1. 2

Между экранами – фольга (тонкая пластинка) из материала, для которого нужно найти сечение. После экрана 2 – счетчик нейтронов.

Очевидно, счетчик сосчитает только те нейтроны, которые свободно пролетели через фольгу (т.е. не поглотились в ней и не рассеялись – ведь рассеянные нейтроны поглотятся экраном 2)

Если сопоставить результаты опытов 1 и 2, то можно определить суммарное сечение: * = _s* + _a*

Но заметим, что здесь * - не для одного ядра, а для всех ядер пластинки вместе. Поскольку число ядер в пластинке можно подсчитать, то можно найти  (* - это макроскопическое, а  - микроскопическое сечение). Т.о., полное сечение ядра найдено.

Опыт 3:

экраны

Теперь счетчик (он на рисунке расположен за пластинкой) состоит из двух половинок, как и экран, поэтому на него попадают только рассеянные нейтроны. Если предположить, что рассеявшиеся от ядер фольги нейтроны летят во все стороны равномерно, то счетчики сосчитают половину всех рассеявшихся нейтронов, откуда можно найти _s. Тогда _a = _t - _s.

Радиоактивные ядра

В 1896г. немецкий ученый Рентген получил излучение, до тех пор неизвестное науке. Лучи Рентгена свободно проходили через непрозрачные предметы.

Начались поиски веществ, излучающих невидимые лучи. В том же году Беккерель обнаружил, что вещества, содержащие уран, также являются источниками излучения, проходящего через непрозрачные тела.

Мария и Пьер Кюри провели обширные исследования урансодержащих солей и выяснили, что источником излучения являются 2 элемента, входящих в состав этих солей. Эти элементы назвали полонием и радием. Свойство атомов излучать было названо радиоактивностью.

Теперь надо было выяснить, что это за лучи. Резерфорд выяснил, что из двух одинаковых тонких алюминиевых пластинок первая значительно сильнее ослабляет лучи, чем вторая. Это означает, что излучение неоднородно по составу и содержит, по крайней мере, два типа частиц. Резерфорд назвал их - и -частицами.

Позднее выяснилось, что в составе излучения есть еще один тип лучей. Их назвали -лучами (у них очень большая проникающая способность). После многочисленных опытов ученые определили, что -частицы – это ядра ⁴₂He, -частицы – это электроны, -лучи – это электромагнитное излучение. Только -лучи имеют ту же природу, что и лучи Рентгена.

С электромагнитным излучением мы встречаемся повсюду. Все его виды отличаются только длинной волны (это как бы расстояние между гребешками волн на поверхности воды, если в нее бросить камень).

Виды электромагнитного излучения:

- радиоволны: от 10см (короткие волны), до нескольких миллионов см (длинные волны);

- тепловое излучение: сотые доли см ( 10^-2см);

- световое излучение:  10^-4см;

- лучи Рентгена: 10^-7- 10^-9см;

- - лучи:  10^-11см (это самые короткие волны);

Человек может ощущать только тепловое, световое и частично звуковое излучение.

Чем короче длина волны, тем больше энергии несет электромагнитное излучение. Согласно теории Планка энергия с помощью электромагнитного излучения может передаваться только небольшими порциями – квантами. Поэтому - лучи иногда называют - квантами.

Итак, Po и Ra – это источники ,  и - лучей. Что при этом происходит с Po и Ra? Атомы распадаются самопроизвольно (из-за неустойчивости) - но не на две примерно равные части, как в случае урана:

²¹⁰₈₄Po  ²⁰⁶₈₂Pb + ⁴₂He, где ²⁰⁶₈₂Pb – стабильный изотоп.

²²⁶₈₈Ra ^ ²²²₈₆Rn ^…^

(Греческая буква над стрелкой обозначает вид распада.)

Очень часто - и -радиоактивный распад сопровождается вылетом -квантов.

Радиоактивный распад атомов, существующих в природе, получил название естественной радиоактивности (все это очень тяжелые ядра). Можно получить радиоактивные изотопы и искусственным путем:

¹⁰⁹₄₇Ag + n  ¹¹⁰₄₇Ag* + .

Как правило, все реакции поглощения нейтронов ядрами сопровождаются вылетом -квантов (причем мгновенным вылетом – такие - кванты называют мгновенными). ¹¹⁰₄₇Ag* - радиоактивный изотоп, который превращается в стабильный ¹¹⁰₄₈Cd с вылетом - частицы.

Существует ли какая-нибудь закономерность распада радиоактивных ядер? Обратимся к пластинке из облученного нейтронами изотопа ¹⁰⁹₄₇Ag. Число нейтронов должно быть велико – тогда можно получить достоверные результаты, пользуясь теорией вероятности.

Вот что модно узнать с помощью счетчика: в течение первых суток распадается 250 из каждых 100000 радиоактивных ядер ¹¹⁰₄₇Ag*, в течение вторых и последующих суток также 250 из каждых 100000. Т.е. вероятность распада радиоактивных изотопов со временем не меняется – это и есть закон радиоактивного распада.

В таком случае, очевидно, есть какая-то величина, характеризующая скорость радиоактивного распада данного конкретного вещества. Такой величиной может служить период полураспада. Для ¹¹⁰₄₇Ag*- это 277 суток, Po – 140 суток, Th₂ – 1,4·10¹⁰ лет, ⁸Li – 0,85 секунд.

Т.о., облучив серебро, можно начать измерения не сразу, а, допустим, через месяц – но все равно, найдя период полураспада и вероятность распада, мы можем определить число радиоактивных ядер, образовавшихся в момент облучения.

Теперь рассмотрим довольно простой способ определения сечений ядер с помощью радиоактивных изотопов.

Облучим пластинку из какого-либо материала потоков нейтронов. Подсчитаем с помощью счетчика число нейтронов, упавших на пластинку (по мощности источника). Затем с помощью другого счетчика определим количество распадов радиоактивного элемента, получившегося при облучении. Это число в точности равно числу поглотившихся в пластинке нейтронов, что позволяет вычислить _a.