Разное / Всякое / Физика темы 1-52 расширенный курс / 48.Нейтроны. Быстрые и медленные нейтроны

48.Нейтроны. Быстрые и медленные нейтроны. Основные типы взаимодействия нейтронов с веществом. Биофизические основы биологического действия быстрых нейтронов; то же – для медленных нейтронов. Наведенная активность. Принципы защиты от нейтронного излучения.

4.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С ВЕЩЕСТВОМ

В отличие от других видов ИИ, нейтроны взаимодействуют только с ядрами вещества. Поэтому сами по себе они не вы­зывают ионизации. Однако в результате вторичных процессов, о которых будет сказано далее, ионизация все же происхо­дит, причем весьма сильная. По этой причине нейтроны также относят к ионизирующим излучениям.

Важным свойством нейтронов является их высокая про­никающая способность, сравнимая с проникающей способ­ностью гамма-лучей. Она объясняется как раз тем, что ней­троны взаимодействуют с ядрами, а ядра атомов имеют очень малые размеры по сравнению с электронными оболочками атомов и молекул.

Характер процессов, сопровождающих прохождение ней­тронов через вещество, очень сильно зависит от кинетической энергии нейтронов. Для нас будет достаточно различать быст­рые и медленные нейтроны с границей между ними при энер­гии около 0,1 М'Э'В. Самые медленные нейтроны, энергия ко­торых порядка энергии теплового движения молекул, 'при­близительно равной величине кТ, называются тепловыми. При 'комнатной температуре энергия тепловых нейтронов приблизительно равна 0,025 эВ.

4.4.1. Основные процессы, происходящие при столкновениях нейтронов с ядрами атомов

К этим процессам относятся следующие.

1. Упругое столкновение, при котором нейтрон и ядро сталкиваются и разлетаются, как два шарика. Нейтрон при этом теряет часть своей энергии и замедляется, а ядро полу­чает энергию и отлетает с некоторой скоростью. Такие ядра называют ядрами отдачи.

2. Неупругое столкновение, которое отличается тем, что после столкновения с нейтроном ядро оказывается в возбуж­денном состоянии. Переходя практически мгновенно в основ­ное состояние, ядро испускает гамма-квант. Нейтрон же те­ряет часть энергии и замедляется, как и при упругом столк­новении.

3. Радиационный захват. В этом случае нейтрон захваты­вается ядром 'Н входит в его состав. Ядро переходит в воз­бужденное состояние, а затем, испуская гамма-квант, воз­вращается в основное состояние. В результате радиационного захвата возникает изотоп того же элемента, но с атомной массой на единицу больше, например:

4. Захват с испусканием частицы. Интересным вариантом является захват с Испусканием двух нейтронов: Вылетевшие нейтроны могут попасть в другие ядра, снова выделятся нейтроны и т. д., т. е. реакция может примять цепной характер. На подобных реакциях основано устройство нейтронной бомбы.

Радиационный захват может происходить при любых энергиях нейтронов. При этом сечение захвата очень сильно растет с уменьшением энергии нейтрона, поэтому' радиацион­ный захват имеет большее значение для медленных нейтро­нов. Для захвата с испусканием частиц характерно наличие энергетического порога, т. е. при энергиях меньше некоторого порогового значения Епор сечение реакции равна нулю. За от­дельными исключениями (для лития, бора и азота) этот порог довольно высокий '(несколько МэВ), поэтому (с ука­занными исключениями) этот тип реакции характерен только для быстрых нейтронов. Взаимодействие быстрых нейтронов с веществом.

Биофизические основы биологического действия быстрых нейтронов.

Для быстрых нейтронов сечения упругого и неупругого столкновения много 'больше сечения захвата. Поэтому основ­ным результатом прохождения быстрых нейтронов через ве­щество будет создание ядер отдачи. При этом ядра отдачи получают большую энергию и двигаются через вещество с большой скоростью. На своем пути ядра отдачи производят сильную ионизацию. Линейная плотность ионизации для ядер отдачи (в воздухе) доходит до 60000 пар ионов па сантиметр. В местах возникновения ядер отдачи происходят значи­тельные повреждения клеток, сравнимые с таковыми для альфа-частиц. Однако альфа-частицы при внешнем облучении безвредны в виду очень малой проникающей способности, а быстрые нейтроны пронизывают все тело человека и на своем пути повсюду создают ядра отдачи. Поэтому из всех видов ионизирующего излучения быстрые нейтроны являются наиболее опасными.

Наряду с возникновением ядер отдачи при воздействии быстры нейтронов на организм испускаются также гамма-кванты. Однако сечения этих процессов меньше, а глав­ное— гамма-кванты имеют гораздо меньшую ионизирующую способность, чем ядра отдачи. Таким образом, биологическое действие быстрых нейтронов в основном определяется именно ядрами отдачи. По мере прохождения через вещество нейтроны теряют энергию и замедляются. Наилучшими замедлителями яв­ляются водородсодержащие среды (чтобы замедлить нейтрон с начальной энергией. 1 МэВ до теплового в водороде необ­ходимо 13 столкновений, а в уране — 6000). В организме водорода очень много, поэтому все ткани являются -прекрас­ными замедлителями нейтронов. Можно сказать, что боль­шинство быстрых нейтронов, попавших на человека, действу­ют ка;к-бы дважды — вначале в качестве быстрых, а затем медленных.

Взаимодействие медленных нейтронов с веществом. Биофизические основы биологического действия

медленных нейтронов В случае медленных нейтронов ядра отдачи имеют не­большие скорости, и потому их вредное действие невелико. Однако1 для таких нейтронов велика вероятность радиацион­ного захвата. В тканях организма наибольшее значение имеет захват нейтронов водородом. Сечение этой реакции равно 0,33 бн, что составляет довольно значительную величину, а главное, атомов водорода в орга­низме много больше, чем всех остальных. Много' s организме и углерода, но его сечение захвата гораздо 'меньше (0,003 бн), так что взаимодействием нейтронов с этим элементом можно пренебречь. Хотя азота в организме значительно меньше, чем водо­рода, данный процесс вносит заметный вклад в повреждаю­щее действие медленных нейтронов, т. к. протон имеет высо­кую линейную плотность ионизации и повреждает на своем пути в ткани много молекул; к тому же сечение этой реакции для медленных нейтронов относительно велико. Таким образом, биологическое действие медленных нейтронов связано со вторичными излучениями (гамма-квантами и протонами), возникающими при захвате нейтронов. Поскольку ЛПИ гамма-лучей невелико, а протоны создаются только частью захваченных нейтронов, биологическое действие медленных нейтронов меньше, чем быстрых.

Активация под действием нейтронов. Наведенная радиоактивность

Захват нейтронов ядрами атомов, как правило, приводит к образованию радиоактивных изотопов. Это явление называется активацией. В частности, она имеет место во всех при еденных реакциях с нейтралами (кроме захвата нейтрона водородом). Радиоактивность, возникшую в веществе после облучения нейтронами (или другими частицами), называют наведенной радиоактивностью.

Именно путем активации получают большинство искусственно-радиоактивных изотопов, применяемых в медицине и других областях. Например, чтобы изготовить широко используемый в технике и медицине радиоактивный изотоп ко­бальта (кобальт-60), в ядерном реакторе облучают нейтронами обычнъш кобальт:

Чаще всего используют реакции такого типа (радиационный захват). Иногда выгоднее применять реакции другого типа, например для получения радиоактивного изотопа серы 35S облучают хлор, т. к. сечение захвата самой серы очень мало:

Кроме того, активация является одним из поражающих факторов ядерного оружия. Мощный поток нейтронов, сопровождающий ядерный взрыв, создает наведенную активность в почве, воде, конструкциях зданий, пищевых продуктах и т. д. Особенно важную роль это играет при взрыве нейтронной бомбы, когда механическое и тепловое действие взрыва не так велики.

Расчет наведенной активности: A=0,693*σ*Ф*t*m*Na/T*M.

Физические принципы защиты от нейтронов

Принципы защиты от нейтронов значительно отличаются по сравнению с защитой от других видов ионизирующих излучений. Быстрые нейтроны очень слабо поглощаются практически всеми веществами (сечение захвата для них очень мало), поэтому прежде всего их необходимо замедлить. Для этой цели, как уже говорилось, надо применять вещества, содержащие легкие атомы (вода, пластмасса, графит). После этого получившиеся медленные (нейтроны можно поглотить веществом с большим сечением радиационното захвата (бор, кадмий). При радиационном захвате испускаются гамма-кванты, поэтому, кроме веществ, задерживающих нейтроны, необходимо использовать материалы, хорошо поглощающие гамма-лучи (например свинец).

Таким образом, защита от нейтронов получается многослойной: вначале ставят замедлитель, затем поглотитель медленных нейтронов и, наконец, вещество, ослабляющее гамма-излучение.