![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •3. Энергетические группы
- •4. Основные виды взаимодействия нейтронов с ядрами
- •Реакция радиационного захвата нейтрона, (n,)-реакция, апи – экзоэнргетическая реакциия, идет на всех (за исключением 3н и 4Не) ядрах и может быть представлена следующей схемой:
- •2. Реакции с образованием протонов, (n,р) - реакции:
- •5. Резонансные процессы
5. Резонансные процессы
Появление резонансов в реакциях является характерной особенностью реакций, идущих с образованием составного ядра. Физической причиной появления резонансов при взаимодействии нейтронов с ядрами служит наличие дискретной системы уровней у связанной системы нейтрон – ядро-мишень, которой является составное ядро. Что, свою очередь, является следствием квантовомеханических законов, которым подчиняется любая система частиц, находящихся в ограниченном объеме.
Наличие резонансов в промежуточной области энергий, а иногда и в тепловой области, является характерной чертой нейтронных реакций.
Р
~1/v
.
Отсюда следует, что при
у стационарного уровня Г
→ 0. Ширина резонанса Г
называется полной.
Составное ядро может распадаться по различным каналам:
с испусканием нейтрона (n);
-кванта (γ);
может испытать деление (f);
распасться с испусканием протона или ‑частицы
и т.д. по любому из возможных каналов (5.1), каждый из которых имеет свою парциальную ширину.
Вероятности этих процессов различны, а полная вероятность λ распада составного ядра в единицу времени (постоянная распада) равна
|
(5.2) |
Постоянная распада связана со средним временем жизни соотношением
|
(5.3) |
Следовательно
|
(5.4) |
то есть полная ширина уровня складывается из парциальных ширин, которые пропорциональны относительным вероятностям распада по соответствующим каналам. Вероятность же распада по данному каналу i будет
|
(5.5) |
Величины Г, Гn, Г, Гf и т.д., 0, Т0 являются параметрами конкретного резонанса и определяются обычно экспериментально.
Резонансы называются уединенными (неперекрывающимися), если расстояние между соседними уровнями D >> Г (см. рис. 4.9.4).
Уединенные
резонансы
описываются формулой
Брейта-Вигнера,
которая определяет сечение образование
составного возбужденного ядра на первой
стадии процесса
|
(5.6) |
Здесь g - статистический (спиновый) фактор:
|
(5.7) |
где J - спин возбужденного уровня промежуточного ядра, I - спин ядра-мишени, s = 1/2 - спин нейтрона; Гn – ширина уровня по отношению к упругому рассеянию нейтрона в данном резонансе. В (5.7) орбитальный момент нейтрона принят равным нулю. Нейтроны с энергией меньше 10 кэВ, а именно в этом энергетическом диапазоне расположены резонансы, взаимодействуют с ядрами только с орбитальным моментом l = 0. Выражение (Тn – Т0)2 в (5.6) определяет поведение резонанса и называется резонансным членом.
Сечение для резонансного рассеяния нейтронов может быть найдено следующим образом, если использовать (5.5) и (5.6):
1.
|
(5.8) |
2. Аналогичным образом определяется сечение реакции (n,γ) (радиационный захват):
|
(5.9) |
3. и реакции деления:
|
(5.10) |
Рассмотрим поведение сечения радиационного захвата в холодной и тепловой областях энергий нейтронов, когда Тn << Т0.
В этом случае
резонансный член в
становиться постоянным числом, а
радиационная ширина Гγ
также перестает зависеть от энергии
нейтрона, так как определяется величиной
энергии возбуждения составного
ядра
|
(5.11) |
но
,
и можно считать, что Гγ = const.
Кроме того, испускание γ-кванта в этой области энергий является преобладающим процессом распада составного ядра, что наблюдается экспериментально и объясняется тем, что выброс нейтрона сильно затруднен из-за чрезвычайно малого (см. предыдущий абзац) превышения энергии возбуждения составного ядра над энергией связи нейтрона, т.е. Г >> Гn .
Таким образом, полная ширина уровня Г = Гn + Г ≈ Г = const и из (5.9) следует,
|
(5.12) |
Согласно теории прохождения нейтрона через потенциальный барьер, нейтронная ширина Гn ~ vn (скорость нейтрона), и
|
(5.13) |
в рассматриваемой области энергий нейтронов.
Следует отметить, что закон 1/vn (пунктир на рис. 4.9.3), первоначально найденный экспериментально для энергетической зависимости сечения реакции (n,γ) в области Тn << Т0, наблюдается и для ряда других реакций, таких как (n,α), (n, f ). В результате очень многие вещества захватывают тепловые нейтроны с очень большим сечением, которые могут существенно превосходить сечение резонансного рассеяния.
С ростом кинетической энергии нейтронов сечение реакции (n,γ) монотонно падает, но при приближении к первому резонансному значению Т0 начинает возрастать и при Тn = Т0 становится равным
|
(5.14) |
Отсюда следует,
что резонансы, расположенные в области
тепловых энергий (большие
),
например, у кадмия (рис. 4.9.1),
могут иметь очень большие сечения
захвата нейтронов.
С ростом энергии нейтронов уровни энергии составного ядра начинают перекрываться (у тяжелых ядер начиная с ~ 10 кэВ и выше). В результате составное ядро образуется с одинаковой вероятностью при любой энергии нейтронов, а резонансная картина пропадает, и сечение монотонно убывает с ростом энергии нейтронов. В этой энергетической области обычно становится возможным процесс (не)упругого рассеяния нейтронов.
На параметры резонансов в тепловой области влияет температура окружающей среды. Вследствие теплового движения ядер энергия относительного движения нейтронов и ядра несколько больше при их встречном движении и меньше при движении в одном направлении нейтрона и ядра, что вызывает изменение течения реакции. В итоге резонансный пик, сохраняя свою площадь, становится ниже и шире, что приходиться учитывать при расчете ядерных реакторов. По аналогии с оптикой изменение формы резонансного пика вследствие теплового движения ядер называется эффектом Доплера. Особенно заметно влияние эффекта Доплера на форму резонансных пиков для значений Т0, имеющих близкие величины с тепловой энергией ядер среды.