Швидкі нейтрони, повільні нейтрони - взаємодія нейтронів з речовиною
Швидкі нейтрони
У ядерних реакціях, утворюються, як правило, швидкі нейтрони (з енергією 0,1-1МеВ). Швидкі нейтрони при зіткненнях з атомними ядрами втрачають енергію великими порціями, витрачаючи її, головним чином, на порушення ядер або їх розщеплення. Таким чином енергія нейтрона стає менше мінімальної енергії збудження ядра (від десятків кеВ до декількох МеВ в залежності від властивостей ядра). Після цього розсіювання нейтрона ядром стає пружним, тобто нейтрон витрачає енергію на повідомлення ядру швидкості без зміни його внутрішнього стану. При одному пружному зіткненні нейтрон втрачає в середньому частку енергії, що дорівнює 2A / (A + 1) 2. де А - масове число ядра-мішені. Ця частка мала для важких ядер (1/100 для свинцю) і велика для легких ядер (1/7 для вуглецю і 1/2 для водню). Тому уповільнення нейтронів на легких ядрах відбувається набагато швидше, ніж на важких.
Повний переріз взаємодії швидких нейтронів з ядрами є сумою перетинів непружного розсіяння і перетину дифракційного розсіювання:
де - довжина хвилі де Бройля нейтрона, р - імпульс налітаючого нейтрона.
Оцінимо радіус ядра:
Експериментально показано, що радіус ядра залежить від масового числа А:
Для легких ядер
повільні нейтрони
Енергія повільних нейтронів в ядерній шкалою близька до нуля. Тому вони не можуть викликати непружного розсіяння і інших ендотермічних процесів. Дійсно, наприклад, перший збуджений рівень у ядер зазвичай має енергію порядку десятка кеВ, а часто і більше. Ясно, що нейтрон з енергією менше 10 кеВ розсіюватися з порушенням ядра не може. Таким чином, для повільних нейтронів можливі тільки пружне розсіяння на ядрах і екзотермічні реакції. Найбільш універсальною (що йде на всіх ядрах, крім і) екзотермічної нейтронно-ядерною реакцією є радіаційний захоплення.
Перетин розсіювання повільних нейтронів.
Перетин захоплення повільних нейтронів в області резонансів описується формулою Брейта-Вігнера:
де - енергія рівня, Г - ширина рівня складеного ядра, Гn / Г і Гг / Г - ймовірності переходу ядра в основний стан з випусканням нейтрона або г-кванта.
Спіновий множник являє собою ймовірність утворення 2J + 1 станів складеного ядра зі спіном s при взаємодії повільних нейтронів з l = 0 і спіном sn = Ѕ і ядра мішені зі спіном I:
При низьких енергіях нейтронів з (1.11) випливає, що <<и
Повільні нейтрони і, зокрема, теплові мають величезне значення для роботи ядерних реакторів. Великі потоки теплових нейтронів в ядерних реакторах широко використовуються також для отримання радіоактивних ізотопів. Дослідження непружного розсіяння теплових і холодних нейтронів дають важливі відомості про динаміку атомів в твердих тілах і рідинах і про властивості молекул. Перетин захоплення холодних нейтронів ядрами дуже велике, оскільки у них сильно проявляються хвильові властивості (довжина хвилі де Бройля більше міжатомних відстаней).
Теплові і холодні нейтрони, очевидно, не порушують атомні ядра і навіть окремі атоми. Але навіть повільні нейтрони мають енергії, достатні для того, щоб порушувати кванти акустичних коливань кристалічної решітки - фонони.