Детектирование нейтронов




Открытие нейтрона

В 1930 г. немецкие физики В. Боте и Г. Беккер получили сильно проникающее излучение, которое возникало при бомбардировке ядер 4Ве9 a-частицами с энергией 5,3 МэВ, испускаемыми радиоактив­ным источником. Поскольку это излучение проходило через слой свинца толщиной в несколько сантиметров, не отклонялось ни маг­нитным, ни электрическим полями, то Боте и Беккер предположили, что это излучение есть не что иное, как высокоэнергетические g-лучи.

Пытаясь измерить коэффициент поглощения этих лучей, Ирен Кюри и ее муж Фредерик Жолио помещали между источни­ком излучения и ионизационной камерой различные поглотители, такие, как Ag, Сu, Рb, но эти поглотители не оказывали практически никакого влияния на излучение. Тогда они взяли поглотители, бога­тые водородом (вода, парафин, целлофан и т. д.). После прохождения через них излучение стало вызывать большую ионизацию в иониза­ционной камере. При этом оказалось, что тонкий алюминиевый поглотитель способен практически полностью задерживать вторич­ное излучение, исходящее из поглотителя, богатого водородом. На основании своих экспериментов Ирен и Фредерик Жолио-Кюри выдвинули впоследствии оказавшуюся ошибочной гипотезу, что исследуемое ими g-излучение в поглотителе, богатом водородом, рассеивается практически полностью на протонах в результате эффекта, аналогичного эффекту Комптона (рис. 1).

 
 
                           
 
   
   
       
 
 
 
 
     
       
 

 

 


Таким образом, они предположили, что первоначальное g-излучение выбивает из поглотителя, богатого водородом, протоны, которые задерживаются потом тонким алюминиевым поглотителем. В экспериментах, как им представлялось, происходят две реакции, проиллюстрированные рисунком 2.

 
 

 


Рис.2

 

 

Супруги Жолио так же, как Боте и Беккер, ошибочно считали, что при бомбардировке a-частицами ядер Be9 образуются g-лучи, которые претерпевают комптоновское рассеяние на протонах. При рассеивании g-лучи приобретают новую частоту n¢, а получаемые протоны отдачи поглощаются тонким алюминиевым поглотителем.

Как известно, изменение длины волны фотона при комптоновском рассеянии описывается формулой (1):

h

Dl = -------- (1 – cos θ) (1)

тР c

где тР - масса покоя протона. Последнюю формулу можно представить в виде

с с h

l¢ - l = ------- - -------- = --------- (1 – cos θ) (2)

n¢ n тР c

или после несложного алгебраического преобразования в виде

mPc2(hv — hn¢) = hv hn¢ (l— cos θ), (3)

где hv = E — энергия налетающего фотона, hn¢ = Е' —энергия рас­сеянного фотона,

(hv — hn¢) = К энергия, передаваемая протону, тР c = 938 МэВ – энергия покоя протона.Таким образом, послед­ней формуле можно придать следующий вид:

тРс2К = ЕЕ'(1— cos θ). В случае «лобового» столкновения (θ = 180°) получаем:

тРс2К + 2Е(Е-К). Энергия налетающего фотона, таким образом, равна:

Е = 1/2 (К + Ö К2 + 2трс2К = 1/2К(1 + Ö 1 + 2трс2/К) (4)

Перед корнем надо взять знак «плюс», так как энергия положительна.

В экспериментах получается, что протоны отдачи имеют кинети­ческую энергию 5,7 МэВ. Поэтому энергия налетающего фотона должна равняться Е» 55 МэВ. Полученное значение намного больше того, которое можно согласовать с обсуждаемыми здесь экспериментами. Действительно, чтобы найти, насколько велика выделяемая в данной реакции энергия, рассчитаем дефект массы для ядерной реакции

2Не4 + 4Ве9 ® 6С13 + g,

Дефект массы можно легко определить:

масса атома He4 = 4,002604 а. е. м., масса атома Ве9 = 9,012186 а. е. м. Сумма

13,014790 а. е. м. Масса атома С13 = 13,003354 а. е. м. Разница 0,011436 а. е. м.

Таким образом, выделяемая при реакции энергия равна 0,0114 а. е. м..* 931,48 МэВ/а. е. м. = 10,6 МэВ. Вместе с тем, если считать, что происходит комптоновское рассеяние на протонах, то для него нужно иметь g-кванты с энергией около 55 МэВ. Следо­вательно, мы приходим к заключению, что неизвестное излучение, наблюдавшееся в экспериментах Боте - Беккера и Ирен и Фредерика Жолио-Кюри, не могло быть g -лучами.

Джеймс Чедвик, работавший в то время в Кавендишской лабора­тории, выдвинул гипотезу, что неизвестное излучение является не g -лучами, а потоком неизвестных в то время незаряженных частиц - нейтронов, имеющих примерно такую же массу, как протоны. Еще за 12 лет до этого Резерфорд предполагал существование такой нейт­ральной частицы, но все его попытки ее обнаружить окончились неудачей. Согласно гипотезе Чедвика, в эксперименте Боте - Беккера происходит ядерная реакция

2Не4 + 4Ве9 ® 6С12 + 0n1. (5)

Так как масса ядра Ве9 еще не была точно известна в то время, то при помощи этой ядерной реакции нельзя было рассчитать массу нейтрона. Чедвик взял другую реакцию, а именно

2He4 + 5B11 ® 7N14+ 0n1 (6)

для которой массы ядер В11 и N14 были хорошо известны (символом 0п1 обозначен нейтрон).

Пример 1. Рассчитайте по дефекту массы выделяющуюся энергию в реакции (5), протекающей с образованием нейтрона.

Решение. Согласно уравнению реакции (5) начальная масса равна сумме масс

атома He4 = 4,002604 а. е. м. и массы атома Ве11 = 9,012186 а. е. м., т.е. 13,014790 а. е. м. Сумма масс атома С12 = 12,000000 а. е. м. и нейтрона 1,008665 а. е. м. дает конечную массу = 13,008665 а. е. м.

Дефект массы равен: 13,014790 а. е. м. - 13,008665 а. е.м.=0,006125 а. е. м. Выделяющаяся энергия 5,7 МэВ

 

Данный расчет показывает, что гипотеза Чедвика в самом деле правильно объясняет необычное поведение рассматриваемого излучения. Чедвик действительно открыл и идентифицировал новую составную часть атома — нейтрон.

Получение нейтронов

Так как нейтрон имеет примерно такие же массу и размеры, как протон, но не обладает электрическим зарядом, он оказался важным «снарядом» во многих экспериментах в ядерной физике. Перечислим несколько способов, при помощи которых получают нейтроны при экспериментах с ними.

Нейтронный источник. Радий является радиоактивным источником a-частиц, и, когда радий смешивают с бериллием, a-частицы выбивают нейтроны из ядер бериллия. Нейтроны, испускаемые такой смесью, получаются в приведенной выше ядерной реакции (5). Пучок нейтронов от такого источника немоноэнергетический, так как в источнике образуются нейтроны с разными энергиями.

Ускорители заряженных частиц. Когда быстро движущиеся дейтроны бомбардируют тритиевую мишень, нейтроны образуются в ядерной реакции

1H2 + 1Н3 ® 2Не4 + 0n1 (7)

Это самая удобная реакция для получения нейтронов, так как мы точно знаем для нее энергию образующихся нейтронов. В связи с тем, что нейтрон легче a-частицы, он уносит с собой большую часть энер­гии, выделенной в реакции, в форме кинетической энергии. В этой реакции

масса атома 1Н2 = 2,014102 а. е. м.

масса атома 1Н3= 3,016049 а. е. м.

начальная масса 1Н2+ 1Н3 = 5,030151 а. е. м.

масса атома 2Не4 = 4,002604 а. е. м.

масса нейтрона 0n1 = 1,008665 а. е. м.

конечная масса 2Не4+ 0п1 = 5,011269 а. е. м.

Дефект массы, равный разности начальной и конечной масс, равен:

5,030151 а. е. м. - 5,011269 а. е. м. = 0,018882 а. е. м.

Выделяемая энергия равна 0,0189 а. е. м. * 931 МэВ/а. е. м. = 17,6 МэВ.

Это максимальная энергия, которую может унести с собой нейтрон. Так как энергия и импульс сохраня­ются в указанной ядерной реакции, то энергию нейтрона можно одно­значно определить, зная угол, под которым испускается нейтрон по отношению к направлению исходного пучка дейтронов.

Реакция фотораспада. Взаимодействие g-лучей с атомными ядра­ми тоже применяется для получения нейтронов. Рассмотрим, на­пример, ядерную реакцию

g + 4Ве9 ® 4Ве8 + 0n1 (8)

имеющую отрицательный дефект массы, т. е. конечная масса для нее оказывается больше начальной массы. Следовательно, требуется затратить определенную энергию, чтобы эта реакция смогла произой­ти. Указанная реакция является примером эндоэнергетической ядер­ной реакции. Пороговая энергия, или минимальная энергия, g-лучей, вызывающих данную ядерную реакцию, равна 1,67 МэВ.

Реакция обдирания. Пучки нейтронов с большой энергией можно получить при соударении пучков высокоэнергетических дейтронов с различными мишенями. Энергия связи нейтрона в дейтроне равна примерно 2,2 МэВ. Когда дейтроны с энергией в несколько сотен МэВ ударяются о мишень, они легко разрушаются и образуется пучок нейтронов, который продолжает двигаться дальше с кинетической энергией, примерно равной половине энергии дейт­рона.

Детектирование нейтронов

Вследствие того, что нейтрон не имеет электрического заряда, его нельзя отклонить электрическим или магнитным полем и он не создает при пролете в веществе вокруг себя никакой ионизации. Нейтроны не возбуждают флуоресценции, не могут быть зарегистри­рованы в камере Вильсона, не оставляют треков в фотографической эмульсии, не приводят к срабатыванию счетчика Гейгера. По этой причине для детектирования нейтронов пришлось разработать спе­циальные приемы.

Один из способов, применяемый для детектирования нейтронов, заключается в детектировании ионизации от заряженных частиц, ко­торые получаются в ядерных реакциях, вызываемых нейтронами. Ионизационную камеру можно сделать чувствительной к нейтронам, если ее наполнить трифторидом бора. Налетающие на ядра бора нейтроны приводят к образованию a-частиц в ядерной реакции

0n1 + 5В10 = 3Li7 + 2He4

Образующиеся a-частицы легко детектируются ионизационной ка­мерой, и так косвенным образом можно судить о наличии в камере нейтронов.

Нейтроны не имеют электрического заряда, и поэтому блуждаю­щий нейтрон может подлететь на близкое расстояние к такой легкой заряженной частице, как протон, и столкнуться с ней, например, в упругом «лобовом» ударе. Протон практически имеет в точности такую же массу, как нейтрон, и поэтому после «лобового» столкнове­ния нейтрон остановится и передаст всю свою кинетическую энергию протону, который начнет двигаться в том же направлении с энергией, равной энергии нейтрона. Такой протон может вызвать затем иони­зацию в ионизационной камере, обнаруживая тем самым наличие нейтронов в ней.

Захват нейтронов

Медленные нейтроны хорошо взаимодействуют с ядрами и по­глощаются ими в реакциях нейтронного ядерного радиационного захвата. Как об этом говорит само название, захват нейтрона ядром сопровождается испусканием g-лучей. Рассмотрим, например, ядер­ную реакцию

0n1 + 13Al27® 13Al28 + g. (9)

(С помощью этой реакции можно детектировать наличие нейтронов.) Нейтроны с энергией около 1 МэВ, как правило, взаимодействуют с ядрами, рассеиваясь на них. При рассеянии нейтрон теряет часть своей энергии, передавая ее ядру (даже при упругом столкновении). Нейтрон должен испытать очень много актов рассеяния, прежде чем его энергия не уменьшится до энергии порядка kT, где k — постоян­ная Больцмана (k = 1,38* 10- 23 Дж/К), Т — абсолютная температура.

Нейтроны с энергией порядка называют теплвыми нейтронами. При

комнатной температуре порядка 27°С (300 К) энергия теплового нейтрона равна:

kT =1,38 10-23 Дж/К * 300 К = 4,14 10-21 Дж = 0,026 эВ.

Характерный тип зависимости эффективного сечения s(n,g ) радиационного захвата нейтронов ядрами Ag от энергии нейтрона показан на рисунке 3;

 
 

 


Рис. 3.

 

Из рис. видно, что эф­фективное сечение плав­но убывает с возрастанием скорости нейтрона или с ростом его энергии, пока не достигается область так называемого резонансного поглощения. Эффективное сече­ние s(n,g ) характеризует вероятность захвата нейтрона ядром. Оно дается формулой, отражающей т.н. закон обратных скоростей,

s(n,g ) = а / v (10)

где а — некоторая постоянная, v — скорость нейтрона. Указанную зависимость лег­ко понять, так как вероятность взаимодействия нейтронам атомным ядром прямо пропорциональна времени, которое нейтрон проводит в окрестности ядра. Последнее обратно пропорционально скорости нейтрона. При малых энергиях, как видно из рисунка 3, закон хорошо выполняется. Но при энергиях, больших 1 эВ, появляются «пики» при так называемых «резонансных» энергиях, которые отве­чают энергетическим уровням ядра. Эффективные сечения захвата нейтронов ядрами других химических элементов тоже имеют подоб­ные резонансы. Вследствие большого значения эффективного сечения захвата нейтронов ядрами Cd113 в атомных реакторах для поглоще­ния избыточных нейтронов и регулирования их потоков используют кадмиевые стержни.

Более детальная информация об особенностях реакций нейтронов будет рассмотрена в других курсах.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-04-27 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: