Взаимодействие нейтронов с веществом
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
#189; и ядра мишени со спином I:
. (1.10)
При >>
~ ? = const. (1.11)
При низких энергиях нейтронов из (1.11) следует, что << и
Г=+?. (1.12)
Медленные нейтроны и, в частности, тепловые имеют огромное значение для работы ядерных реакторов. Большие потоки тепловых нейтронов в ядерных реакторах широко используются также для получения радиоактивных изотопов. Исследования неупругого рассеяния тепловых и холодных нейтронов дают важные сведения о динамике атомов в твёрдых телах и жидкостях и о свойствах молекул. Сечение захвата холодных нейтронов ядрами очень большое, поскольку у них сильно проявляются волновые свойства (длина волны де Бройля больше межатомных расстояний).
Тепловые и холодные нейтроны, очевидно, не возбуждают атомные ядра и даже отдельные атомы. Но даже медленные нейтроны имеют энергии, достаточные для того, чтобы возбуждать кванты акустических колебаний кристаллической решетки - фононы.
2. Механизмы взаимодействия нейтронов с веществом
Нейтроны взаимодействуют с веществом в результате следующих механизмов:
упругого рассеяния;
неупругого рассеяния;
ядерных реакций;
- деления ядер.
Следует отметить, что обычно в литературе деление ядер выделяют отдельно, несмотря на то, что деление - частный случай ядерных реакций под действием нейтронов.
Взаимодействие нейтронов с веществом происходит, в основном, благодаря их взаимодействию с атомными ядрами. Электромагнитное взаимодействие нейтрона с электронами определяется взаимодействием между их магнитными моментами и в большинстве случаев оказывается пренебрежимо мало (эффект от взаимодействия магнитных моментов нейтрона и электрона становится заметным в ферромагнетиках, когда магнитные моменты электронов ориентированы одинаково).
В результате нейтроны в среде рассеиваются, поглощаются или размножаются (в процессе деления ядра). В общем случае, если на тонкий слой вещества падает параллельный пучок нейтронов, после прохождения нормального к нему слоя толщиной х число нейтронов будет равно:
, (2.1)
где х - толщина вещества в см; n - число ядер на 1 см вещества; ?0 - число нейтронов в падающем пучке; ? = ?поглощения + ?рассеяния - сечение взаимодействия нейтронов.
Энергия нейтрона после n соударений в водородосодержащей среде составляет:
. (2.2)
Среднелогарифмические потери энергии нейтрона ? при одном соударении с ядром определяются соотношением
, (2.3)
где , E - энергии нейтрона до и после соударения, А - массовое число ядра.
Среднее число соударений:
. (2.4)
Для достаточно больших А (А>12):
. (2.5)
Среднее число соударений нейтронов в тяжелом замедлителе (для легких ядер):
. (2.6)
Средняя длина свободного пробега нейтронов в веществе составляет
. (2.7)
2.1 Упругое рассеяние нейтронов
Для элементов с низким атомным номером первый возбужденный уровень обычно на 1 Мэв (или более) выше основного состояния. Поэтому в случае легких элементов упругое рассеяние нейтронов с энергией меньшей 1 Мэв более вероятно, чем неупругое рассеяние. С увеличением атомного номера минимальная энергия возбуждения ядра уменьшается примерно до 0,1 Мэв, и нейтроны с большей энергией могут испытывать как упругое, так и неупругое рассеяние.
Упругое рассеяние нейтронов происходит по схеме:
(A, Z) + n ™ (A, Z) + n'. (2.8)
Как известно, в результате упругого рассеяния ядро остается в прежнем состоянии, а нейтрон сохраняет свою первоначальную кинетическую энергию в системе центра инерции (в лабораторной системе координат сохраняется суммарная кинетическая энергия нейтрона и ядра).
В реакциях (n, n') - упругое рассеяние, - быстрые нейтроны сначала соединяются с ядром-мишенью, образуя составное ядро, затем испускается нейтрон с меньшей энергией, а ядро-мишень остается в возбужденном состоянии. Обычно возбуждение очень быстро снимается испусканием ?-лучей, но иногда возбужденное состояние является метастабильным, т. е. изомерным состоянием устойчивого изотопа.
Упругое рассеяние нейтронов может осуществляться при взаимодействии непосредственно с силовым полем без проникновения частицы в ядро (потенциальное рассеяние) и с проникновением (резонансное рассеяние). Потенциальное рассеяние возможно при любой энергии нейтро нов, резонансное рассеяние происходит, когда энергия нейтрона близка к энергии одного из уровней ядра.
Для медленных нейтронов сечение потенциального рассеяния ?п не зависит от энергии и определяется соотношением:
, (2.9)
где Rя - радиус ядра.
Упругое рассеяние нейтронов очень широко используется для регистрации быстрых нейтронов методом наблюдения следов ядер отдачи (чаще всего протонов отдачи) в различных трековых приборах (камера Вильсона, ядерная фотоэмульсия, пузырьковая камера и др.), а также для регистрации ядер отдачи ионизационными методами (ионизационные камеры, счетчики).
Упругого рассеяния при замедлении быстрых нейтрон является одним из важнейших процессов, протекающих в ядерных реакторах. Своеобразным процессом упругого рассеяния является диффузия тепловых нейтронов.
2.2 Неупругое рассеяние нейтронов
Нейтрон с энергией в несколько сот кэВ после попадания в ядро может перевести его в возбужденное состояние и снова вылететь из него (причем не о?/p>