Взаимодействие нейтронов с веществом 1 Природа сил взаимодействия

Взаимодействие нейтронов с веществом 1. Природа сил взаимодействия нейтронов с веществом. 2. Общая характеристика сечений взаимодействия. 3. Виды взаимодействия нейтронов с веществом. 4. Разделение нейтронов на энергетические группы. 5. 5. Взаимодействие с веществом нейтронов с энергией до 10 Мэ. В 6. 6. Взаимодействие быстрых и сверхбыстрых нейтронов с веществом. 1

1. Природа сил взаимодействия нейтронов с веществом ● Взаимодействие нейтронов с ядрами происходит в основном за счет действия ядерных сил. Нейтроны (наряду с протонами) входят в состав любого атомного ядра, в котором они прочно связаны ядерными силами. Поэтому при сближении с ядром нейтроны должны с ним эффективно взаимодействовать, причем в отличие от протонов, которые из-за кулоновского барьера не могут эффективно взаимодействовать с ядром при малых энергиях, нейтроны, не имеющие зарядов, взаимодействуют с ядром и при низких энергиях. 2

2. Общая характеристика сечений взаимодействия нейтронов с веществом ● Сечения взаимодействия нейтронов с веществом на много порядков ниже, чем заряженных частиц и гамма-квантов. ● Основной вид взаимодействия нейтронов с веществом - взаимодействие с ядрами атомов, так как при ядерном столкновении нейтрон может потерять значительную долю энергии (в отличие от взаимодействия с электронами). ● Нейтронное сечение интерпретируется как эффективная площадь ядра (с точки зрения возможности взаимодействия нейтрона с ним). 3

2. Общая характеристика сечений взаимодействия нейтронов с веществом Сечение взаимодействия нейтронов с ядрами часто выражают в единицах см-1 и называют макроскопическим сечением : = n. Я, где n. Я – число ядер в 1 см 3. Вероятность взаимодействия нейтрона на толщине x определяется как x. Вероятность пройти нейтрону слой вещества x без взаимодействия равна exp(- x). Средняя длина свободного пробега равна 1/ . 4

2. Общая характеристика сечений взаимодействия нейтронов с веществом Сечения взаимодействия нейтронов с ядрами являются сложной функцией энергии нейтрона, а в определенных областях энергий значительно отличаются для различных элементов и даже изотопов одного элемента. 5

3. Виды взаимодействия нейтронов с веществом Все виды взаимодействия нейтронов с ядрами разделяют на следующие группы: • упругое рассеяние нейтронов ядрами, когда кинетическая энергия нейтрона перераспределяется между нейтроном и ядром, причем ядро при этом не возбуждается; • неупругое рассеяние: нейтрон после попадания в ядро может перевести его в возбужденное состояние и снова вылететь из него (причем не обязательно тот же самый), но уже с меньшей энергией (суммарная кинетическая энергия системы ядро-нейтрон изменяется); • ядерные реакции, в т. ч. деление ядер. 6

3. Виды взаимодействия нейтронов с веществом • • В зависимости от того, попадает нейтрон в ядро или нет, его взаимодействие с ядрами можно разделить на 2 класса: без попадания нейтрона в ядро; так может происходить упругое рассеяние на ядерных силах; с заходом нейтрона в ядро; так происходят все остальные виды взаимодействия: упругое рассеяние с заходом нейтрона в ядро (упругое резонансное рассеяние), неупругое рассеяние, ядерные реакции разных типов, деление ядер. 7

3. Виды взаимодействия нейтронов с веществом ● определяется соответствующим сечением. ● Полное сечение взаимодействия является суммой парциальных сечений упругого и неупругого рассеяний, ядерных реакций и деления ядер. 8

4. Разделение нейтронов на энергетические группы • • Энергетические группы нейтронов: тепловые (подкадмиевые) нейтроны – с энергией около 0, 4 э. В; эти нейтроны обычно находятся в термодинамическом равновесии с атомами окружающей среды и их распределение по энергиям можно описать максвелловским; промежуточные нейтроны – нейтроны с энергией в интервале от 0, 4 э. В до 200 кэ. В; эта область энергий характеризуется резонансным характером сечения взаимодействия нейтронов с ядрами; быстрые нейтроны – нейтроны с энергией от 200 кэ. В до 10. . 20 Мэ. В; сверхбыстрые нейтроны – нейтроны с энергией выше 20 Мэ. В. 9

5. Взаимодействие с веществом нейтронов с энергией до 10 Мэ. В Основными видами ядерных взаимодействий, идущих под действием нейтронов с энергией до 10 Мэ. В, являются: - процессы упругого и неупругого рассеяния, - деление ядер, - ядерные реакции типа (n, ), (n, p), (n, ), т. е. реакции с выходом из ядра гамма-кванта, протона или -частицы. 10

5. Взаимодействие с веществом нейтронов с энергией до 10 Мэ. В 5. 1. Замедление нейтронов ● В процессе упругих (а также неупругих) соударений с ядрами нейтроны теряют свою кинетическую энергию – замедляются. ● Наиболее быстрый сброс энергии в процессе замедления наблюдается при упругих соударениях нейтронов с водородом. ● Средняя энергия нейтронов после n соударений с ядрами водорода равна Еn = E 0/2 n (E 0 – начальная энергия), среднее число соударений, необходимое для замедления нейтронов от энергии Е 0 до энергии Е равно n=ln(E 0/E)/ln 2. 11

5. 1. Замедление нейтронов Упругое рассеяние нейтронов на водороде в области энергий выше 100 э. В является практически единственным процессом взаимодействия. ● Сечение этого процесса является плавной функцией энергии нейтрона. ● Рис. 1. Зависимость сечения рассеяния нейтронов на ядрах водорода от энергии нейтронов. 12

5. 1. Замедление нейтронов ● В тяжелых замедлителях, где сброс энергии нейтрона при одном соударении невелик, замедление может рассматриваться как процесс непрерывного спуска нейтрона по энергии. В этом случае энергия нейтрона является функцией времени замедления. ● Условие эффективного протекания процесса замедления: существенное превышение сечения рассеяния нейтронов над сечением захвата. 13

5. 1. Замедление нейтронов Процесс замедления нейтронов в среде продолжается до захвата нейтрона или до тех пор, пока нейтроны не придут в тепловое равновесие с атомами замедлителя (тепловые нейтроны). Энергия тепловых нейтронов Етепл=k. T, где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура замедлителя. При достижении тепловой энергии нейтроны диффундируют в замедлителе без дополнительного сброса энергии, т. е. оставаясь тепловыми. 14

5. 1. Замедление нейтронов Нейтроны в замедлителе: - холодные; - тепловые; - надтепловые. В Рис. 2. Спектр нейтронов в замедлителе зависимости от прохождения через слой кадмия тепловые нейтроны делятся на: - подкадмиевые; - закадмиевые 15

5. 2. Резонансные нейтроны ● Среди медленных нейтронов (Е 0 < 100 кэ. В) выделяют нейтроны с некоторой энергией, при которой они с очень большой вероятностью захватываются или рассеиваются ядрами. ● Каждое вещество характеризуется резкой избирательной способностью захвата по отношению к нейтронам определенной (резонансной) энергии. Причем области резонанса для разных веществ не перекрываются между собой. Эти нейтроны называют резонансными. Именно они инициируют ядерные реакции или деление ядер. 16

5. 2. Резонансные нейтроны ● Рис. 3. Сечение взаимодействия нейтронов с ядрами в области малых энергий подчиняется закону 1/v (v – скорость нейтрона), резко возрастает при достижении нейтронами резонансной энергии Ерез и затем снова спадает. (Пики – область резонансных взаимодействий). 17

5. 2. Резонансные нейтроны • Ядерные реакции типа (n, p), (n, ). Под действием нейтронов с энергией Е 0, 5. . 10 Мэ. В с большой вероятностью идут реакции вида (n, p) и (n, ): (A, Z) + n (A, Z-1) + p; (A, Z) + n (A-3, Z-2) + . 18

5. 2. Резонансные нейтроны • Реакции вида (n, ). Одним из самых распространенных видов ядерных реакций под действием нейтронов являются реакции этого вида. Они сводятся к захвату нейтрона с последующим испусканием гамма-кванта. Поэтому они называются реакциями радиационного захвата нейтрона. В результате образуется нестабильный изотоп, по активности которого и судят о потоках нейтронов и их энергетическом составе. Реакции радиационного захвата с большой вероятностью идут под действием нейтронов с энергией от 0 до 500 кэ. В и широко используются для их детектирования. 19

5. 2. Резонансные нейтроны • Деление ядер. При облучении тяжелых ядер (90 Th, 91 Pa, 92 U, трансурановые элементы) нейтронами с энергией > 1 Мэ. В (а для некоторых изотопов урана и трансурановых элементов даже тепловыми нейтронами) происходит реакция разделения тяжелого ядра на два осколка-ядра со средними массами, примерно относящимися как 2: 3, (A, Z) + n (A 1, Z 1) + (A 2, Z 2), где A 1+A 2 = A+1; Z 1+Z 2=Z. • Реакции деления широко используются получения атомной (точнее, ядерной) энергии. для 20

5. 2. Резонансные нейтроны Сечения деления 233 U, 235 U, 239 Pu можно считать постоянными в области энергий 0, 1. . 5 Мэ. В и равными соответственно 2; 1, 2 и 1, 8 барн. Сечение деления 238 U в области энергий 2. . 6 Мэ. В равно примерно 0, 5 барн и в области 7. . 10 Мэ. В – примерно 1 барн. Сечения деления 233 U, 235 U и 239 Pu тепловыми нейтронами равны соответственно 527, 582 и 746 барн. 21

6. Взаимодействие быстрых и сверхбыстрых нейтронов с веществом Быстрые нейтроны (с энергией 10. . 20 Мэ. В) с большой вероятностью испытывают неупругое и упругое дифракционное рассеяние, сечение которых примерно равно R 2 (R – радиус ядра). Суммарное сечение рассеяния примерно равно их сумме, т. е. 2 R 2 и в этой области энергий составляет подавляющую долю полного сечения взаимодействия нейтронов с ядрами. Для тяжелых ядер это около 6 барн. Сверхбыстрые нейтроны (с энергией свыше 10 Мэ. В): под действием нейтронов идут реакции, сопровождающиеся вылетом двух или большего числа частиц. 22