Свойства нейтронов различных энергий. Проходя сквозь вещество, нейтроны вызывают различные ядерные реакции и упруго рассеиваются на ядрах. Интенсивностью этих микроскопических процессов, в конечном счете, определяются все макроскопические свойства прохождения нейтронов через вещество, такие, как замедление, диффузия, поглощение и т. д. Так как нейтрон имеет нулевой электрический заряд, он практически не взаимодействует с электронами атомных оболочек. Поэтому атомные характеристики среды не играют никакой роли в распространении нейтронов в веществе. Это чисто ядерный процесс.
Сечения различных нейтрон-ядерных реакций зависят от энергии нейтронов, сильно и нерегулярно изменяются от ядра к ядру при изменении A или Z. Сечения взаимодействия нейтронов с ядрами в среднем растут по закону "1/v" при уменьшении энергии нейтрона. По этому свойству нейтроны разделяются на две большие группы – медленных и быстрых нейтронов. Граница между этими группами не является строго определённой. Она лежит в области 1000 эВ.
Нейтроны классифицируют по энергии.
Медленные: энергия < 1 эВ,
Резонансные: 1 эВ ÷ 10 кэВ,
Промежуточные: 10 кэВ ÷ 1 МэВ,
Быстрые: 1 МэВ ÷ 100 МэВ,
Релятивистские: > 100 МэВ.
В свою очередь медленные нейтроны принято подразделять на тепловые и холодные.
Тепловые нейтроны находятся в тепловом равновесии с атомами среды. Их средние энергии − сотые доли электронвольта. Часто в качестве характерной энергии теплового нейтрона указывают величину 0.025 эВ, полученную из соотношения
| Етепл = kT, | (1) |
где k - постоянная Больцмана, для абсолютной температуры, соответствующей энергии тепловых нейтронов, получается значение Т = 3000, т.е. комнатная температура. Таким образом, энергия Етеплсоответствует наиболее вероятной скорости нейтронов, находящихся в тепловом равновесии со средой при комнатной температуре.
Заметим, что скорость медленных нейтронов весьма относительна. Даже нейтрон с энергией
0.025 эВ имеет скорость 2 км/сек.
Холодными называют нейтроны с энергиями ниже 0.025 эВ:
| Ехол< 0.025 эВ. | (2) |
У холодных нейтронов очень сильно проявляются волновые свойства, т.к. длина волны холодного нейтрона намного больше междуатомных расстояний.
Нейтроны с энергиями от ≈ 1 эВ до 10 кэВ называют резонансными, потому что в этой области для средних и тяжёлых ядер полное нейтронное сечение велико и его зависимость от энергии представляет собой густой частокол резонансов.
Нейтроны с энергиями от 10 кэВ до 1 МэВ называют промежуточными. Часто в промежуточные включают и резонансные нейтроны. В этой области энергий отдельные резонансы сливаются (исключением являются лёгкие ядра) и сечения в среднем падают с ростом энергии.
К быстрым относят нейтроны с энергиями от 1 до 100 МэВ.
Нейтроны с энергиями выше 100 МэВ относят к релятивистским.
В таблице 5 приведены области энергий и порядки величин сечений различных ядерных реакций под действием нейтронов.
| Таблица 5. |
| Тип реакции | Сечение реакции |
Радиационный захват (n,  )
| Идёт на всех ядрах. Сечение: для тепловых нейтронов варьируется в широком интервале от 0,1 до 103 и даже 104 барн ( ); для быстрых нейтронов – от 0.1 до нескольких барн.
|
| Упругое рассеяние (n,n) | Сечение варьируется в интервале нескольких барн. |
| Неупругое рассеяние (n,n’) | Пороговая реакция. Сечение по порядку величины несколько барн. |
| (n,p) | Наиболее важные реакции:   тепл.нейтр = 5400 барн,  тепл.нейтр.=1.75 барн.
|
| (n,α) | Наиболее важные реакции:  тепл.нейтр.=945 барн,  тепл.нейтр.=3840 барн
|
| (n,2n) | Пороговая реакция. Порог ~10 - 15 МэВ. Сечение: несколько десятых барн. |
| (n,f) | В подавляющем большинстве случаев пороговая реакция. Сечение очень мало, исключая отдельные случаи  ,  и т.д.
|
При небольших энергиях (0.01100 эВ) для получения монохроматических нейтронов можно использовать их дифракцию на кристалле. Зависимость энергии нейтронов от угла их отражения от поверхности кристалла φ даётся формулой Брэгга-Вульфа
| (3) |
где m − масса нейтрона, d − расстояние между соседними атомными плоскостями в кристалле, n − целое число (порядок спектра).
Так как у нейтронов отсутствует электрический заряд, они взаимодействуют главным образом с ядрами атомов вещества. В отличие от протонов, которые не могут эффективно взаимодействовать с ядром при малых энергиях из-за кулоновского барьера, нейтроны даже при низких энергиях способны подойти к ядру на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил.
Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов.
| Нейтроны с энергиями десятки кэВ и более передают энергию в основном в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Для быстрых нейтронов наиболее важным результатом взаимодействия являются упругие (n,n) и неупругие (n,n′) столкновения с ядрами. Под действием быстрых нейтронов также эффективно идут реакции типа (n,α), (n,p), (n,2n), реакции деления (n,f), и др. Для нейтронов с энергиями доли эВ ÷ 10 кэВ наблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определённых значениях энергий нейтронов, характерных для данного вещества. Основные процессы - рассеяние и замедление нейтронов до тепловых скоростей. Энергии тепловых нейтронов (сотые доли эВ) не превышают энергии связи атомов в водородосодержащих молекулах. Поэтому в случае, если не происходит ядерной реакции, тепловые нейтроны могут вызвать лишь возбуждения колебательных степеней свободы, что приводит к разогреву вещества. Важными процессами для тепловых нейтронов являются также ядерные реакции. Наиболее характерные из них - реакции радиационного захвата (n,γ). При уменьшении энергии нейтронов сечение упругого рассеяния (n,n) остается примерно постоянным на уровне нескольких барн, а сечение (n,γ) растет по закону 1/v, где v - скорость налетающего нейтрона. Поэтому для очень медленных нейтронов возрастает не только абсолютная, но и относительная роль реакций радиационного захвата. |
Замедление нейтронов.Замедление нейтронов происходит при упругих столкновениях с ядрами, т.к. если до столкновения ядро покоилось, то после столкновения оно приходит в движение, получая от нейтрона некоторую энергию. Поэтому нейтрон замедляется. Однако это замедление нейтронов не может привести к их полной остановке из-за теплового движения ядер. Энергия теплового движения порядка kT. Если нейтрон замедлился до этой энергии, то при столкновении с ядром он может с равной вероятностью как отдать, так и получить энергию. Нейтроны с энергиями kT находятся в тепловом равновесии со средой. Поглощение и диффузия нейтронов происходят как во время замедления, так и после окончания этого процесса. Практическая важность процесса замедления обусловлена тем, что в большинстве нейтронных источников (реактор, радон-бериллиевая ампула и т. д.) нейтроны рождаются в основном с энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ, в то время, как большинство важных в прикладном отношении нейтронных реакций, согласно закону "1/v", наиболее интенсивно идёт при низких энергиях нейтронов. Для того чтобы понять основные закономерности процесса замедления нейтронов, рассмотрим сначала среднюю потерю энергии быстрого нейтрона при столкновении с ядром водорода – протоном. Так как массы нейтрона и протона примерно равны, то баланс энергии при столкновении имеет вид
где E0, v – начальные энергия и скорость нейтрона, vn, vp – соответственно скорости нейтрона и протона после столкновения. Поскольку в системе центра инерции рассеяние изотропно, то в среднем протон и нейтрон и в лабораторной системе имеют после столкновения одинаковые энергии (благодаря равенству их масс):
где E1 – средняя энергия нейтрона после столкновения. Таким образом, в водороде энергия нейтрона в среднем уменьшается вдвое при каждом столкновении. Если нейтрон сталкивается не с протоном, а с более тяжёлым ядром, то средняя потеря энергии при столкновении уменьшается При рассеянии нейтрона на ядре с массовым числом А средняя потеря энергии определяется соотношением
Например, если замедлителем является углерод 12С, то E1 ≈ (0.8÷0.9)E0.
где
Этот процесс называется термализацией нейтронов. |
.
1/2. Величина 
/6
e-E/kTE1/2 , E ≤ 1 эВ.
Диффузия нейтронов. Замедленные до тепловых энергий нейтроны диффундируют, распространяясь в веществе во все стороны от источника. Этот процесс приближённо описывается обычным уравнением диффузии с обязательным учётом поглощения, которое для тепловых нейтронов всегда велико. Основной характеристикой среды, описывающей процесс диффузии, является длина диффузии L, определяемая соотношением
где
Величина L зависит не только от собственно диффузии, но и от поглощающих свойств среды. Поэтому L не полностью характеризует процесс диффузии. Дополнительной независимой характеристикой диффузии является среднее время |
/6,
| Альбедо нейтронов. Интересным свойством нейтронов является их способность отражаться от различных веществ. Это отражение не когерентное, а диффузное. Его механизм таков. Нейтрон, попадая в среду, испытывает беспорядочные столкновения с ядрами и после ряда столкновений может вылететь обратно. Вероятность такого вылета носит название альбедонейтронов для данной среды. Очевидно, что альбедо тем выше, чем больше сечение рассеяния и чем меньше сечение поглощения нейтронов ядрами среды. Хорошие отражатели отражают до 90% попадающих в них нейтронов, т.е. имеют альбедо до 0.9. в частности, для обычной воды альбедо равно 0.8. Неудивительно поэтому, что отражатели нейтронов широко применяются в ядерных реакторах и других нейтронных установках. Возможность отражения нейтронов объясняется следующим образом. Вошедший в отражатель нейтрон при каждом столкновении с ядром может рассеяться в любую сторону. Если нейтрон у поверхности рассеялся назад, то он вылетает обратно, т.е. отражается. Если же нейтрон рассеялся в другом направлении, то он может рассеяться так, что уйдёт из среды при последующих столкновениях. Этот же процесс приводит к тому, что концентрация нейтронов резко снижается вблизи границы среды, в которой они рождаются, т.к. вероятность для нейтрона уйти наружу велика. |
Термализация нейтронов, последняя стадия процесса замедления нейтронов в различных средах, когда существенную роль начинают играть химическая связь, тепловое движение атомов среды. При уменьшении кинетической энергии нейтронов до величин < 1 эв скорость нейтронов становится сравнимой со скоростью теплового движения атомов и молекул. Возникает обмен энергией между ними и нейтронами, направленный на установление равновесного Максвелла распределения нейтронов по скоростям. Однако из-за влияния ряда факторов (движения и связи атомов, поглощения, конечных размеров системы и др.) энергетические спектры нейтронов в замедлителях отличаются от равновесных. Исследования Т. н. необходимы для расчёта и предсказания поведения ядерных реакторов на тепловых нейтронах. Они явились источником новых методов изучения физики твёрдых тел и жидкостей (см. Нейтронография).
метод протонов отдачи: Метод измерения плотности потока нейтронов, основанный наизмерении числа протонов, образовавшихся в результате упругого рассеяния нейтронов на ядрахматериала водородосодержащего детектора.