Взаимодействие нейтронов с веществом.

Нейтроны взаимодействуют с электронами и ядрами. Нейтроны взаимодействуют с электроном вследствие того, что они обладают магнитными свойствами. Но это взаимодействие ничтожно и не значительно.

Большое значение имеет взаимодействие нейтрона с ядром вещества. Это взаимодействие обусловлено наличием ядерных сил.

Ядерные силы имеют неэлектрическую природу. Они действуют на расстоянии меньшем 10^{-13 см. По величине они значительно больше кулоновского отталкивания. Ядерные силы не являются центральными, т.е. не могут быть описаны простой функцией расстояния.}

Взаимодействие нейтронов с веществом проявляется при столкновении нейтронов с ядрами атомов, что заканчивается для нейтрона либо отклонением в поле действия ядерных сил от первоначального направления, либо поглощением нейтрона ядром. При поглощении образуется составное ядро. Освобождающаяся при поглощении нейтрона энергия равна энергии связи нейтрона (т.е. из – за дефекта массы). А также плюс кинематическая энергия, приносимая нейтроном, приводят атомное ядро в возбужденное состояние.

После испускания составным ядром нейтрона конечное ядро может находится как в невозбужденном, так и в возбужденном состоянии. Если невозбужденное упругое рассеяние, если ост. возбужденное неупругое расстояния . Неупругое рассеяние возможно не при любой энергии нейтрона. А только при такой, которой соответствует энергия возбуждения, превращающая энергию возбуждения составного ядра на самый низкий уровень. (Положение уровней зависит от массы ядер энергия нижних уровней – порядка десятых долей 1Мэв, у легких – порядка 1Мэв и больше) Поэтому неупругое рассеяние нейтронов на тяжелых ядрах наблюдается при энергиях нейтронов на уровне нескольких сотен киловатт электричества, а на легких – при энергиях больше 1Мэв. Средняя энергия нейтронов, испускаемых при делении равном 2Мэв.

Для эффективного использования н.в. ядерных реакторах их энергия должна быть уменьшена в результате столкновения с атомными ядрами замедлителя, т.к. в реакторах в качестве замедлителей используют легкие материалы, процесс замедления нейтронов идет в основном за счет их упругого рассеяния на ядрах замедлителя. Например, нейтроны с энергией меньшей 4,5Мэв на углероде испытывают только упругое рассеяние, т.к. самый низкий уровень возбуждения ядра углерода ≈ 4,5Мэв. При рассеянии ₀n¹ на ядрах простого водорода неупругого рассеяние нейтронов водородам не наблюдается, т.к. у ядра водорода (протона) нет возбужденных состояний.

Кроме рассеяния при взаимодействии ₀n¹ с веществом может происходить и поглощение ₀n¹ ядрами.

В результате поглощения следующие реакции: 1) (n,γ);2) (n,p); 3) (n,£); 4) (n,f)

1) Пример радиоактивного захвата:

₉₂U²³⁸ + ₀n¹ → ₉₂U²³⁹ + γ, а U²³⁹ в результате радиоактивных превращений переходит в ₉₄Pu²³⁹

2)Нейтрон выбивает протон, а сам остается в ядре. Протон отдачи сильно полизирует вещество

₇N¹⁴ + ₀n¹ → ₆C¹⁴ + ₁P¹

3)Например: ₅В¹⁰ + ₀n¹ → ₃Li⁷ + £ Применяется в счетчиках нейтронов в системе упр. реактором.

4) Реакция деления. В основе представлений о механизме деления лежит капельная модель атомного ядра (при этом атомное ядро уподобляет заряженной капле жидкости)

При поглощении нейтрона ядерная капля деформируется и переходит в колебательное движение. Если энергия возбужденного ядра мала, то колебания затухают и ядерная капля принимает свою первоначальную сферическую форму, а избыточная энергия испускается в виде γ – квантов, нейтронов или других частиц.

Если энергия возбуждения велика, то деформация ядра капли приводит к множественному колебательному процессу способному преодолеть поверхностное натяжение. В этом случае ядро делится, а осколки его под влиянием кулоновских сил разлетаются с большой скоростью. Возникшие при делении осколки тормозятся в ядерном горючем, а их кинетическая энергия переходит в тепловую энергию, вызывая нагрев горючего.

Захват нейтрона сопровождающийся делением наблюдается практически только для самых тяжелых ядер. При m >100 при любой энергии ₀n¹ возможен процесс деления. Однако разлету осколков сильно препятствует потенциальный барьер. Чтобы его преодолеть, ядру нужно сообщить энергию большую энергии связи осколков. Энергия, которую необходимо сообщить ядру, чтобы оно могло разделиться, называют энергией активации.