· Взаимодействия нейтронов с веществом.
При прохождении через вещество частицы взаимодействуют с атомами, из которых оно состоит, т. е. с электронами и атомными ядрами (или нуклонами ядра). Нейтроны, не имеющие электрического заряда, при движении в веществе не взаимодействуют с электронными оболочками атомов. Проходя через вещество, нейтроны непосредственно не ионизируют атомы и молекулы, как заряженные частицы. Поэтому нейтроны обнаруживают по вторичным эффектам, возникающим при взаимодействии их с ядрами. При столкновениях с атомными ядрами они могут выбивать из них заряженные частицы, которые ионизируют и возбуждают атомы среды. В результате соударения нейтронов с ядрами вещества природа последних не изменяется, а сами нейтроны рассеиваются на атомных ядрах. При этом следует рассматривать упругое и неупругое рассеяния. При втором виде взаимодействия изменяется природа соударяющихся частиц. Происходят ядерные реакции типа (n, α), (n, p), (n, 2n) и т.д., и наблюдается деление тяжелых ядер. Благодаря своей электрической нейтральности нейтрон любой энергии легко проникает в ядро и вызывает разнообразные ядерные превращения, а также претерпевают рассеяние 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. Основным видом взаимодействия нейтронов с веществом является их взаимодействие с атомными ядрами. В зависимости от того, попадает нейтрон в ядро или нет, его взаимодействие с ядрами можно разделить на два класса:) упругое потенциальное рассеяние на ядерных силах без попадания нейтрона в ядро (n, n)пот;) ядерные реакции разных типов: (n, γ), (n, p), (n, α), реакция деления и др.; неупругое рассеяние (n, n'), упругое рассеяние с заходом нейтрона в ядро - упругое резонансное рассеяние (n, n)рез. Относительная роль каждого процесса определяется соответствующим сечением. В некоторых веществах, для которых роль упругого рассеяния относительно высока, быстрый нейтрон теряет свою энергию в серии последовательных актов упругого соударения с ядрами вещества (замедление нейтронов). Процесс замедления продолжается до тех пор, пока кинетическая энергия нейтрона не сравняется с энергией теплового движения атомов замедляющего вещества (замедлителя). Такие нейтроны называются тепловыми. Дальнейшие столкновения тепловых нейтронов с атомами замедлителя практически не изменяют энергии нейтронов и приводят только к перемещению их в веществе (диффузия тепловых нейтронов), которое продолжается до тех пор, пока нейтрон не поглотится ядром. Вопросы взаимодействия быстрых и медленных нейтронов со средой чрезвычайно важны при рассмотрении различных задач нейтронной физики и, в частности, для конструирования ядерных реакторов.
Классификация нейтронов Энергетический ход сечений нейтронных реакций (сечение взаимодействия нейтронов с ядрами) сильно и нерегулярно меняется от ядра к ядру при изменении А (число нуклонов) или Z (число протонов). Несмотря на это, все же удается провести полезную для практики классификацию нейтронных энергий, т. е. выделить различные области энергий так, что для каждой области оказываются характерными определенные типы реакций. Таким образом, условно нейтроны делятся на: - ультрахолодные (Е £ эВ); очень холодные (£ Е £ эВ); холодные (£ Е £ 0,025 эВ); тепловые (0,025 эВ £ Е £ 0,5эВ); резонансные (0,5 эВ £ Е £ 1кэВ) промежуточные (1 £ Е £ 500 кэВ); быстрые (500 кэВ £ Е). Первые пять видов нейтронов иногда называют медленными, т.е. нейтроны с кинетической энергией, меньшей 100 кэВ. Приведенные значения граничных энергии условны. В действительности эти границы различны и зависят от типа явлений и конкретного вещества. Из теории ядерных реакций известно, что сечения взаимодействий нейтронов с ядрами в среднем резко растут по закону «1/v» (v - скорость нейтрона) при уменьшении энергии нейтрона. Именно по этому свойству нейтроны разделяются на две большие группы - медленных и быстрых нейтронов. Граница между этими группами не является строго определенной. Она лежит примерно в области 10 - 100 кэВ. Медленные нейтроны сильно взаимодействуют с ядрами. Для быстрых нейтронов это взаимодействие значительно слабее. Однако, «медленность» медленных нейтронов весьма относительна. Даже нейтрон с энергией 0,025 эВ имеет, как нетрудно подсчитать, скорость 2 км/с. У холодных, очень холодных и ультрахолодных нейтронов крайне велико сечение захвата ядрами (согласно закону «l/v»). У них также очень сильно проявляются волновые свойства, так как длина волны таких нейтронов намного больше межатомных расстояний. Однако использовании данных нейтронов затруднено сложностью их получения. Энергия =0,025 эВ определяет порядок энергий тепловых нейтронов. В температурной шкале = kT, (1.1) где k - постоянная Больцмана, для абсолютной температуры, соответствующей энергии тепловых нейтронов, получается значение Т - 300 К, т. е. комнатная температура. Таким образом, энергия соответствует наиболее вероятной скорости нейтронов, находящихся в тепловом равновесии со средой при комнатной температуре. В ядерных энергетических установках температура может значительно превышать комнатную. Кроме того, находящиеся в тепловом равновесии нейтроны имеют разброс по скоростям, в результате чего энергии довольно большой части нейтронов могут быть заметно больше kT. Поэтому к тепловым обычно относят нейтроны с энергиями примерно до 0,5 эВ. Сечения поглощения ядрами достаточно велики и для тепловых нейтронов. Получение этих нейтронов даже в очень больших количествах является хорошо освоенным процессом. Поэтому тепловые нейтроны широко используются в ядерной технике. Нейтроны с энергиями от 0,5 эВ до 1 кэВ называют резонансными, потому что в этой области для средних и тяжелых ядер полное нейтронное сечение довольно велико и график его зависимости от энергии представляет собой густой частокол острых резонансов. Нейтроны с энергиями от 1 до 100 кэВ называют промежуточными. Часто в промежуточные включают и резонансные нейтроны. В этой области энергий отдельные резонансы сливаются (исключением являются легкие ядра) и сечения в среднем падают с ростом энергии. К быстрым относят нейтроны с энергиями примерно от 100 кэВ до 14 МэВ. Сечения взаимодействия таких нейтронов с ядрами уже намного меньше, чем для медленных нейтронов. Прикладное значение быстрых нейтронов обусловлено тем, что основным техническим источником нейтронов является реакция деления ядер, порождающая нейтроны мегаэлектронвольтных энергий. Далее эти быстрые нейтроны деления иногда используются непосредственно, а чаще превращаются в медленные путем специального процесса замедления. Нейтроны с энергиями выше 14 МэВ из-за дороговизны их получения широкого практического применения не получили и пока используются главным образом для исследований в физике ядерных реакций и элементарных частиц. В ядерной энергетике в основном приходится иметь дело с нейтронами, обладающими энергиями примерно от 0,025 эВ до 10 МэВ.
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:
где х - толщина вещества в см; n - число ядер на 1 см² вещества; ν0 - число нейтронов в падающем пучке; σ = σпоглощения + σрассеяния - сечение взаимодействия нейтронов.
Энергия нейтрона после n соударений в водородосодержащей среде составляет:
Среднелогарифмические потери энергии нейтрона ξ при одном соударении с ядром определяются соотношением
где, E - энергии нейтрона до и после соударения, А - массовое число ядра.
Среднее число соударений:
Для достаточно больших А (А>12):
Среднее число соударений нейтронов в тяжелом замедлителе (для легких ядер):
Средняя длина свободного пробега нейтронов в веществе составляет
