Механизмы взаимодействия нейтронов с веществом

 

Нейтроны взаимодействуют с веществом в результате следующих механизмов:

упругого рассеяния;

неупругого рассеяния;

ядерных реакций;

- деления ядер.

Следует отметить, что обычно в литературе деление ядер выделяют отдельно, несмотря на то, что деление - частный случай ядерных реакций под действием нейтронов.

Взаимодействие нейтронов с веществом происходит, в основном, благодаря их взаимодействию с атомными ядрами. Электромагнитное взаимодействие нейтрона с электронами определяется взаимодействием между их магнитными моментами и в большинстве случаев оказывается пренебрежимо мало (эффект от взаимодействия магнитных моментов нейтрона и электрона становится заметным в ферромагнетиках, когда магнитные моменты электронов ориентированы одинаково).

В результате нейтроны в среде рассеиваются, поглощаются или размножаются (в процессе деления ядра). В общем случае, если на тонкий слой вещества падает параллельный пучок нейтронов, после прохождения нормального к нему слоя толщиной х число нейтронов будет равно:

 

, (2.1)

 

где х - толщина вещества в см; n - число ядер на 1 см² вещества; ν0 - число нейтронов в падающем пучке; σ = σпоглощения + σрассеяния - сечение взаимодействия нейтронов.

Энергия нейтрона  после n соударений в водородосодержащей среде составляет:

 

. (2.2)

 

Среднелогарифмические потери энергии нейтрона ξ при одном соударении с ядром определяются соотношением

 

, (2.3)

 

где , E - энергии нейтрона до и после соударения, А - массовое число ядра.

Среднее число соударений:

 

. (2.4)

 

Для достаточно больших А (А>12):

 

. (2.5)

 

Среднее число соударений нейтронов в тяжелом замедлителе (для легких ядер):

 

. (2.6)

 

Средняя длина свободного пробега нейтронов в веществе составляет

 

. (2.7)

 

Упругое рассеяние нейтронов

 

Для элементов с низким атомным номером первый возбужденный уровень обычно на 1 Мэв (или более) выше основного состояния. Поэтому в случае легких элементов упругое рассеяние нейтронов с энергией меньшей 1 Мэв более вероятно, чем неупругое рассеяние. С увеличением атомного номера минимальная энергия возбуждения ядра уменьшается примерно до 0,1 Мэв, и нейтроны с большей энергией могут испытывать как упругое, так и неупругое рассеяние.

Упругое рассеяние нейтронов происходит по схеме:

 

(A, Z) + n ™ (A, Z) + n'. (2.8)

 

Как известно, в результате упругого рассеяния ядро остается в прежнем состоянии, а нейтрон сохраняет свою первоначальную кинетическую энергию в системе центра инерции (в лабораторной системе координат сохраняется суммарная кинетическая энергия нейтрона и ядра).

В реакциях (n, n') - упругое рассеяние, - быстрые нейтроны «сначала соединяются с ядром-мишенью, образуя составное ядро, затем испускается нейтрон с меньшей энергией, а ядро-мишень остается в возбужденном состоянии. Обычно возбуждение очень быстро снимается испусканием γ-лучей, но иногда возбужденное состояние является метастабильным, т. е. изомерным состоянием устойчивого изотопа.

Упругое рассеяние нейтронов может осуществляться при взаимодействии непосредственно с силовым полем без проникновения частицы в ядро (потенциальное рассеяние) и с проникновением (резонансное рассеяние). Потенциальное рассеяние возможно при любой энергии нейтро нов, резонансное рассеяние происходит, когда энергия нейтрона близка к энергии одного из уровней ядра.

Для медленных нейтронов сечение потенциального рассеяния σп не зависит от энергии и определяется соотношением:

 

, (2.9)

 

где Rя - радиус ядра.

Упругое рассеяние нейтронов очень широко используется для регистрации быстрых нейтронов методом наблюдения следов ядер отдачи (чаще всего протонов отдачи) в различных трековых приборах (камера Вильсона, ядерная фотоэмульсия, пузырьковая камера и др.), а также для регистрации ядер отдачи ионизационными методами (ионизационные камеры, счетчики).

Упругого рассеяния при замедлении быстрых нейтрон является одним из важнейших процессов, протекающих в ядерных реакторах. Своеобразным процессом упругого рассеяния является диффузия тепловых нейтронов.