Взаимодействие нейтронов с веществом

В зависимости от кинетической энергии нейтроны условно разделяют на группы: медленные с энергией до 1 кэВ, промежуточные – от 1 кэВ до 0,2 МэВ, быстрые – от 0,2 МэВ до 20 МэВ. Среди медленных выделяют группу тепловых нейтронов с энергией от 0,005 до 0,2 эВ. Наиболее вероятная скорость движения тепловых нейтронов при комнатной температуре составляет 2200 м/с, а соответствующая энергия – 0,025 эВ.

Основными механизмами взаимодействия нейтронов с веществом являются:

Упругое рассеяние. Происходит на ядрах вещества, при этом нейтрон теряет часть своей энергии. Нейтрон и ядро в процессе такого взаимодействия ведут себя подобно упругим шарам: сохраняются суммарные энергия и импульс системы нейтрон-ядро. Процесс идет при любых энергиях нейтронов. Наибольшую часть энергии нейтрон в одном упругом рассеянии (при прочих равных условиях) передает наиболее легким ядрам.

Неупругое рассеяние. При этом процессе взаимодействия быстрый нейтрон передает часть своей кинетической энергии ядру мишени, которое переходит в возбужденное состояние. Переход ядра из возбужденного в основное состояние сопровождается испусканием гамма-кванта. Кинетическая энергия нейтрона после взаимодействия распределяется в зависимости от свойств ядра-мишени и угла рассеяния между ядром-мишенью, рассеянным нейтроном и гамма-квантом. Неупругое рассеяние – пороговая реакция, т.к. энергия нейтрона должна быть больше энергии возбуждения ядра-мишени. Для легких ядер энергии возбуждения велики, поэтому неупругое рассеяние на легких ядрах маловероятно. Процесс заметен на средних и тяжелых ядрах.

Радиационный захват. При этом процессе нейтрон захватывается ядром-мишенью, которое переходит в возбужденное состояние. Переход ядра из возбужденного в основное состояние происходит путем испускания гамма-квантов. В отличие от неупругого рассеяния при радиационном захвате нейтрона наряду с испусканием гамма-квантов образуется новый нуклид, который может быть как стабильным, так и радиоактивным. Например, при захвате нейтрона стабильным ядром-мишенью ²³Na образуется радиоактивный ²⁴Na. Радиационный захват нейтрона возможен при любой его энергии, но наиболее вероятен на медленных (лучше тепловых) нейтронах.

Ядерные реакции с вылетом частиц. После захвата нейтрона ядром-мишенью полученное ядро может испустить какую-нибудь частицу, например, протон, альфа-частицу и др. В результате этих ядерных реакций образуются искусственные радионуклиды, которые широко используются в медицине и ядерной технике, а также в пороговых детекторах нейтронов при исследовании их энергетического спектра. Большинство (но есть исключения) таких ядерных реакций являются пороговыми, т.к. требуется энергия для вырывания частиц из ядра. Величина порога определяется свойствами ядер-мишеней и видом ядерной реакции.

Деление ядер. При захвате нейтрона ядра некоторых тяжелых элементов (урана, тория, плутония) способны делиться с образованием двух новых ядер (осколков) и высвобождением в среднем около 2,5 нейтронов. Образованные нейтроны могут вызвать деление других ядер и т.д. В процессе деления одного ядра выделяется около 200 МэВ энергии. Большинство продуктов деления радиоактивны из-за относительного избытка нейтронов в ядрах-осколках. Благодаря возможности цепной реакции деления ядер появилась возможность широкого использования ядерной энергии в народном хозяйстве. Процесс деления некоторых (в основном, нечетных) ядер происходит на медленных (преимущественно на тепловых) нейтронах, других (в основном, четных) ядер происходит только на быстрых нейтронах (пороговые реакции).