1.Нейтрон залетел и вылетел, сняв всю энергию возбуждения. Внутренняя энергия ядра не изменилась. Это означает упругое, но не потенциальное, а резонансное упругое рассеяние.

2.Нейтрон может свалиться на уровень ниже и вылететь с меньшей энергией (TN′ < TN ). Разность энергии снимается гамма-квантами. Этот процесс называется неупругим рассеянием.

3.Нейтрон может опуститься ниже края потенциальной ямы и не вылететь. Энергия возбуждения снимается гамма-квантами. Эта реакция называется реакцией захвата или радиационного захвата (n, γ).

4.Ядро может развалиться под возбуждением. Это реакция деления (n, f).

5.Могут образоваться новые частицы: (n, α), (n, p), (n, 2n), (n, 3n) и так далее.

(22:43) Все эти реакции являются реакциями поглощения, так как в них появляются новые частицы.

(23:55) Главное, что мы должны запомнить: все ядерные реакции взаимодействия идут с образованием так называемого составного ядра, за исключением реакции потенциального упругого рассеяния.

3Эффективные сечения взаимодействия

3.1Вероятностный характер взаимодействий

(25:24) Теперь нам нужно узнать, с какой вероятностью происходят те или иные взаимодействия. Все эти процессы являются вероятностными и подчиняются статистическим законам.

(26:08) Поэтому мы переходим к параграфу четвёртому — "Эффективные сечения взаимодействия нейтронов с ядрами".

3.2Микроскопическое и макроскопическое сечения

(27:11) Сечение бывает двух видов:

•Микроскопическое сечение — характеристика конкретного ядра, измеряется в сантиметрах квадратных.

•Макроскопическое сечение — характеристика среды, измеряется в обратных сантиметрах (см−1).

(27:48) Сечение взаимодействия описывает вероятность взаимодействия. Микроскопическое сечение — это характеристика ядра, а макроскопическое — характеристика среды (например, H2O, D2O плюс уран, графит и т.д.).

3.3Экспериментальное определение микроскопического сечения

(29:29) Рассмотрим эксперимент по определению микроскопического сечения. У нас есть пластина толщиной ∆x и площадью A, состоящая из некоторого вещества (вода, графит и т.д.).

4

(30:07) Мы знаем такую величину, как ядерная плотность N — число ядер на сантиметр кубический. Если у нас есть вода плотностью 1 г/см³, мы можем узнать, сколько ядер водорода и кислорода находится в сантиметре кубическом.

(31:13) Ядерную плотность можно найти по формуле:

где:

•ρ — плотность вещества,

•NA — число Авогадро,

•Z — количество атомов в молекуле,

•M — молярная масса.

(34:54) На эту пластину налетает пучок нейтронов интенсивностью I0 (нейтрон/(см²·с)). Этот пучок монохроматический (с конкретной энергией) и коллимированный (все нейтроны летят перпендикулярно пластине).

(36:25) Измеряя количество нейтронов до пластины и после пластины, мы можем рассчитать скорость реакции Ri — количество взаимодействий в секунду.

(37:50) Скорость реакции будет пропорциональна:

(41:16) Этот коэффициент пропорциональности σi называется эффективным микроскопическим сечением взаимодействия. Он измеряется в сантиметрах квадратных.

3.4Физический смысл эффективного сечения

(48:49) Слово "эффективное"означает следующее: мы шарик, который налетает (нейтрон), считаем точкой, а сечение (эффективное сечение второго шарика) считаем как R1 + R2, то есть размер налетающей частицы учитывается в размере ядра.

(50:25) Это означает, что при определении сечения взаимодействия мы уже подразумеваем, что нейтрон — это точка, а не волна. То, что на самом деле нейтрон — это волна с размерами, зависящими от энергии, будет учитываться в значениях этих сечений.

(51:22) Размер ядра составляет примерно 10−12 см. Поэтому вводят такую величину, как барн:

(52:10) Название "барн"происходит от английского слова "barn"(амбар). Когда проводили измерения на ядрах, для большинства ядер получались величины меньше 10−24 см². Но когда взяли уран, сечение оказалось больше. Полушутливая легенда гласит, что кто-то сказал, что оно настолько большое, как ворота в амбаре, поэтому его назвали "барн".

5

3.5Зависимость сечения от энергии нейтрона

(54:04) Если бы нейтроны и ядра были просто шариками, микроскопическое сечение не зависело бы от энергии. Однако в реальности сечение взаимодействия является функцией энергии нейтронов.

(54:42) Различают следующие типы сечений:

•σa — сечение поглощения (absorption),

•σs — сечение рассеяния (scattering),

•σc — сечение радиационного захвата (capture),

•σf — сечение деления (fission),

•σel — сечение упругого рассеяния (elastic),

•σin — сечение неупругого рассеяния (inelastic),

•σ(n,2n) — сечение реакции (n, 2n),

•σtot — полное сечение взаимодействия (total).

(55:49) Существует следующее соотношение:

(56:30) Если σa = 20 барн, а σs = 80 барн, то вероятность поглощения нейтрона при взаимодействии с ядром составляет:

3.6Резонансная структура сечений

(58:58) Сечения взаимодействия имеют сложную зависимость от энергии нейтронов, особенно в области резонансов. На графике сечения захвата на ядре урана-238 видны резонансные пики.

(59:47) Эти пики соответствуют уровням возбуждения составного ядра. Если посмотреть на ядро сбоку, то уровни возбуждения будут как раз эти пики.

(1:00:27) Описание взаимодействия частиц в микромире подчиняется законам квантовой механики. Теоретическое решение уравнения Шрёдингера для взаимодействия нейтрона с ядром выходит за рамки возможностей на данный момент.

(1:00:59) Поэтому мы считаем, что нейтроны — это хаотичное движение точечных частиц, а вся квантовая физика заключается в микроскопических сечениях взаимодействия.

(1:01:31) Эти кривые сечений — экспериментальные кривые. Это файлы оценённых ядерных данных, полученные на основе множества экспериментов, проводимых с 1950-х годов по настоящее время.

6