5.4 Взаимодействие нейтронов с веществом

Нейтроны, как правило, не возникают при радиоактивном распаде, но они могут образовываться в качестве вторичных частиц при различных ядерных реакциях, на чем и основаны все способы их получения.

Из-за отсутствия электрического заряда нейтроны практически не взаимодействуют с атомными электронными оболочками, что обусловливает их высокую проникающую способность, то есть, нейтроны могут проходить через толстые слои вещества с минимальными потерями.

Это же обстоятельство позволяет нейтронам при любых энергиях сближаться с атомными ядрами и вступать с ними во взаимодействия.

Основными процессами, приводящими к ослаблению потока (пучка) нейтронов, являются процессы радиационного захвата, поглощения и рассеяния нейтронов при столкновении с ядрами атомов.

Роль того или иного процесса в ослаблении нейтронного излучения существенно зависит от энергии налетающих нейтронов. Поэтому обычно нейтроны делят на отдельные энергетические группы - тепловые, медленные и быстрые нейтроны. Границы этих энергетических групп условны (табл.5.4).

Таблица 5. 4. Классификация нейтронов по энергии

Типы нейтронов	Энергия нейтронов, эВ
Ультра холодные	<10-6
Холодные (медленные)	10-6 – 0,005
Тепловые нейтроны	0,005 – 0,5
Надтепловые	0,5 - 103
Резонансные	103 - 105
Быстрые нейтроны	105 - 108
Сверхбыстрые	> 108

В среде из легких ядер нейтроны могут передавать практически всю свою энергию в результате одного столкновения, если столкновение лобовое. Для быстрых нейтронов наиболее важным результатом взаимодействия являются упругие (n,n) и неупругие (n,n') столкновения с атомными ядрами.

Для медленных и тепловых нейтронов основным процессом, определяющим ослабление нейтронного потока, является захват (поглощение нейтрона ядром атома среды (мишени).

Захват быстрых нейтронов возможен, если нейтрон в результате многократного рассеяния на ядрах замедляется до такой энергии, при которой процесс поглощения начинает играть решающую роль.

Быстрые нейтроны передают энергию главным образом в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Энергия, переданная от нейтрона ядру (Е _ядра), зависит от массы ядра и угла рассеяния.

Рассеяние быстрых нейтронов на ядрах может быть упругим и неупругим.

Упругое рассеяние происходит с сохранением суммарной кинетической энергии нейтронов и ядра. Упругое рассеяние возможно на всех ядрах и при любых энергиях. Этот вид взаимодействия нейтронов с веществом имеет большое значение при работе ядерного реактора. Быстрые нейтроны многократно рассеиваясь на ядрах уменьшают свою энергию до тепловых, в результате чего они принимают участие в делении урана-235.

При неупругом столкновении часть кинетической энергии нейтрона и ядра затрачивается на возбуждение ядра с последующим испусканием γ – квантов. Неупругое рассеяние возможно на любом ядре, имеющем возбужденные уровни, т.е. практически на всех ядрах за исключением ядер водорода, гелия, дейтерия. При прохождении через вещество в результате многократно повторяющихся актов рассеяния на ядрах, нейтроны постепенно теряют свою энергию. Этот процесс получил название замедления нейтронов. Энергия, передаваемая рассеивающему ядру, зависит от угла рассеяния и от массы ядер среды;

, (5.16)

где Е₀ и Е₁ – энергии нейтрона до и после столкновения с ядром;

φ – угол рассеяния;

А – массовое число рассеивающего ядра.

При лобовом столкновении, когда φ = 180˚, cos φ = -1, нейтрон теряет наибольшее количество энергии.

, (5.17)

Энергии тепловых нейтронов 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.

Наиболее характерными реакциями при взаимодействии тепловых нейтронов с веществом являются реакции радиационного захвата (n,). Данный процесс сводится к поглощению нейтрона ядром с выделением энергии в виде γ – квантов. Энергия реакции в данном случае равна энергии связи нейтрона в конечном ядре.

При радиационном захвате нейтрона заряд ядра не меняется, меняется его массовое число

.

При этом могут возникнуть как стабильные, так и радиоактивные ядра. Образующееся радиоактивное ядро часто β – радиоактивно.

При уменьшении энергии нейтронов сечение упругого рассеяния (n,n) остается примерно постоянным на уровне нескольких барн, а сечение (n,) 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.

Нейтрон может реагировать с ядром, вызывая одновременное излучение ядром другой частицы. Такие взаимодействия нейтрона с ядрами называются ядерными реакциями, на подробном рассмотрении которых мы остановимся дальше.

При взаимодействии нейтронов с тяжелыми ядрами возможен также процесс расщепления ядра, т.е. деления на два или больше осколков.

В каждом акте взаимодействия нейтрон или изменяет направление движения и кинетическую энергию, или поглощается ядром. Таким образом, в каждом акте взаимодействия он выбывает из параллельного пучка, поэтому такой пучок ослабевает по уже известному нам экспоненциальному закону. В случае узкого пучка нейтронов N_0, число нейтронов N_х, не испытавших ни одного столкновения с ядрами вещества, определяется соотношением:

N_х = N₀·exp(-n₀· σ_n· x) , (5.18)

где N₀ – число нейтронов в падающем пучке;

N –число нейтронов, не испытавших ни одного столкновения с ядрами вещества;

σ_п –полное эффективное микроскопическое сечение взаимодействия нейтронов с ядрами;

n₀ – число ядер в 1 м³ вещества, n₀ = 6.02·1023·ρ/А; ρ (кг/м³);

x – толщина слоя вещества( м).

Вероятность прохождения той или иной реакции определяется полным эффективным микроскопическим сечением σ_п взаимодействия нейтронов с ядрами.

Микроскопическое сечение σ_п можно представить себе как сечение сферы, описанной вокруг ядра. Пересекая эту сферу, нейтрон может вступить в реакцию с ядром. Вне сферы радиусом

r =

взаимодействие не происходит.

Вычисляя ослабление нейтронного потока, проходящего через среду, необходимо учитывать все возможные процессы взаимодействия нейтронов с ядрами.

С этой целью вводится понятие полного эффективного сечения взаимодействия нейтронов с ядрами

σ_п = σ_рас. + σ_захв. + σ_дел..

Полное эффективное сечение имеет размерность площади. Единицей измерения поперечного сечения является барн. 1 барн = 10^-28 м². Чем больше σ, тем вероятнее взаимодействие нейтрона с ядром. В зависимости от типа ядра и энергии налетающего нейтрона величина сечения изменяется в интервале нескольких барн.

Отношение

N/N₀ = exp(-n₀· σ_n· x) =Т (5.19)

называют пропусканием нейтронов слоем вещества.

Произведение σ_п ·n₀ называется макроскопическим сечением взаимодействия или линейным коэффициентом ослабления нейтронов обозначается Σ и выражается в м^-1.

Исходя из этого определения выражение ( ) можно записать:

, (5.20)

Отношение 1/Σ = , имеет размерность длины и представляет собой толщину, ослабляющую поток нейтронов враз. Эту величину принято называтьдлиной свободного пробега нейтронов данной энергии в данном веществе.

Так как σ_п с увеличением энергии нейтрона уменьшается, то длина свободного пробега увеличивается.

Таблица 5. 5. Длина свободного пробега быстрых нейтронов () в различных середах

Материал	Плотность, г/см3	(см) при энергии:
		4 МэВ	14.9 МэВ
Полиэтилен	0.92	5.5	13.9
Плексиглас	1.18	6.3	15.2
Карбид бора	1.67	12.0	17.2
Графит	1.6Т	11.4	24.0
Алюминий	2.7	14.1	15.9
Железо	7.89	7.6	8.3
Свинец	11.34	15.0	15.5