Получение нейтронов

Так как нейтрон имеет примерно такие же массу и размеры, как протон, но не обладает электрическим зарядом, он оказался важным «снарядом» во многих экспериментах в ядерной физике. Перечислим несколько способов, при помощи которых получают нейтроны при экспериментах с ними.

Нейтронный источник. Радий является радиоактивным источником -частиц, и, когда радий смешивают с бериллием, -частицы выбивают нейтроны из ядер бериллия. Нейтроны, испускаемые такой смесью, получаются в приведенной выше ядерной реакции (5). Пучок нейтронов от такого источника немоноэнергетический, так как в источнике образуются нейтроны с разными энергиями.

Ускорители заряженных частиц. Когда быстро движущиеся дейтроны бомбардируют тритиевую мишень, нейтроны образуются в ядерной реакции

₁H² + ₁Н³  ₂Не⁴ + ₀n¹ (7)

Это самая удобная реакция для получения нейтронов, так как мы точно знаем для нее энергию образующихся нейтронов. В связи с тем, что нейтрон легче -частицы, он уносит с собой большую часть энер­гии, выделенной в реакции, в форме кинетической энергии. В этой реакции

масса атома ₁Н² = 2,014102 а. е. м.

масса атома ₁Н³ = 3,016049 а. е. м.

начальная масса ₁Н² + ₁Н³ = 5,030151 а. е. м.

масса атома ₂Не⁴ = 4,002604 а. е. м.

масса нейтрона ₀n¹ = 1,008665 а. е. м.

конечная масса ₂Не⁴+ ₀п¹ = 5,011269 а. е. м.

Дефект массы, равный разности начальной и конечной масс, равен:

5,030151 а. е. м. - 5,011269 а. е. м. = 0,018882 а. е. м.

Выделяемая энергия равна 0,0189 а. е. м. * 931 МэВ/а. е. м. = 17,6 МэВ.

Это максимальная энергия, которую может унести с собой нейтрон. Так как энергия и импульс сохраня­ются в указанной ядерной реакции, то энергию нейтрона можно одно­значно определить, зная угол, под которым испускается нейтрон по отношению к направлению исходного пучка дейтронов.

Реакция фотораспада. Взаимодействие -лучей с атомными ядра­ми тоже применяется для получения нейтронов. Рассмотрим, на­пример, ядерную реакцию

 + ₄Ве⁹  ₄Ве⁸ + ₀n¹ (8)

имеющую отрицательный дефект массы, т. е. конечная масса для нее оказывается больше начальной массы. Следовательно, требуется затратить определенную энергию, чтобы эта реакция смогла произой­ти. Указанная реакция является примером эндоэнергетической ядер­ной реакции. Пороговая энергия, или минимальная энергия, -лучей, вызывающих данную ядерную реакцию, равна 1,67 МэВ.

Реакция обдирания. Пучки нейтронов с большой энергией можно получить при соударении пучков высокоэнергетических дейтронов с различными мишенями. Энергия связи нейтрона в дейтроне равна примерно 2,2 МэВ. Когда дейтроны с энергией в несколько сотен МэВ ударяются о мишень, они легко разрушаются и образуется пучок нейтронов, который продолжает двигаться дальше с кинетической энергией, примерно равной половине энергии дейт­рона.

Детектирование нейтронов

Вследствие того, что нейтрон не имеет электрического заряда, его нельзя отклонить электрическим или магнитным полем и он не создает при пролете в веществе вокруг себя никакой ионизации. Нейтроны не возбуждают флуоресценции, не могут быть зарегистри­рованы в камере Вильсона, не оставляют треков в фотографической эмульсии, не приводят к срабатыванию счетчика Гейгера. По этой причине для детектирования нейтронов пришлось разработать спе­циальные приемы.

Один из способов, применяемый для детектирования нейтронов, заключается в детектировании ионизации от заряженных частиц, ко­торые получаются в ядерных реакциях, вызываемых нейтронами. Ионизационную камеру можно сделать чувствительной к нейтронам, если ее наполнить трифторидом бора. Налетающие на ядра бора нейтроны приводят к образованию -частиц в ядерной реакции

₀n¹ + ₅В¹⁰ = ₃Li⁷ + ₂He⁴

Образующиеся -частицы легко детектируются ионизационной ка­мерой, и так косвенным образом можно судить о наличии в камере нейтронов.

Нейтроны не имеют электрического заряда, и поэтому блуждаю­щий нейтрон может подлететь на близкое расстояние к такой легкой заряженной частице, как протон, и столкнуться с ней, например, в упругом «лобовом» ударе. Протон практически имеет в точности такую же массу, как нейтрон, и поэтому после «лобового» столкнове­ния нейтрон остановится и передаст всю свою кинетическую энергию протону, который начнет двигаться в том же направлении с энергией, равной энергии нейтрона. Такой протон может вызвать затем иони­зацию в ионизационной камере, обнаруживая тем самым наличие нейтронов в ней.