3.5.4. Взаємодія нейтронів з речовиною

Нейтрони, пролітаючи крізь речовину, безпосередньо не іонізують атоми й молекули, подібно до заряджених частинок. Тому нейтрони виявляють за допомогою вторинних ефектів, які виникають при взаємодії їх з ядрами. У результаті зіткнення нейтронів з ядрами речовини природа останніх не змінюється, а самі нейтрони розсіюються на атомних ядрах.

Зіткнення нейтронів з ядрами можуть бути пружними й не пружними. При не пружних взаємодіях відбуваються ядерні реакції типу (), (), (), () і т.д., і спостерігаються ядерні реакції поділу важких ядер.

Імовірність проходження тієї чи іншої ядерної реакції визначається мікроскопічним перерізом реакції (), (), (), () і т.д. (першою в дужках записується частинка, яка бомбардує - нейтрон, другою - частинка, що випускається, або -квант).

Мікроскопічний переріз можна уявити як перетин сфери, описаної навколо ядра. Перетинаючи сферу, нейтрон може вступити в реакцію з ядром. Поза сферою радіусом взаємодії не відбуваються. Мікроскопічний переріз виміряється в квадратних сантиметрах (см²) і барнах (1 барн=10^-24 см²). Експериментальне доведено, що при енергіях нейтронів, більших за 10 МеВ, повний ефективний переріз дорівнює :

, (3.5.4.1)

де - радіус ядра.

Звідси радіус ядра дорівнює

. (3.5.4.2)

Більш точні експериментальні вимірювання радіуса ядра в залежності від масового числа були проведені з використанням нейтронів з енергіями 14 і 25 МеВ. Вимірювання показали, що

. (3.5.4.3)

Помноживши мікроскопічний переріз на число ядер у 1 см³ поглинаючої речовини N, одержимо повний переріз усіх ядер у 1 см³ поглинаючої речовини. Макроскопічний перетин в цьому випадку дорівнює:

. (3.5.4.4)

Макроскопічний перетин має розмірність, обернено пропор-ційну до розмірності довжини, см^-1. Тому при , де - число Авогадро, маємо

. (3.5.4.5)

В залежності від енергії нейтронів їх ділять на наступні групи:

• ультрахолодні нейтрони;

• нейтрони з енергією меншою 10^-7 еВ;

• холодні нейтрони;

• нейтрони з енергією меншою за 510^-3 еВ.

Ультрахолодні й холодні нейтрони мають дуже великі проникаючі здатності в полікристалічних речовинах. Теплові нейтрони - це нейтрони, які перебувають у термодинамічній рівновазі з атомами навколишнього розсіюючого середовища. Через відносно слабке поглинання в середовищі їх швидкості підпорядковуються максвеллівському розподілу. Тому такі нейтрони називаються тепловими. Енергія теплових нейтронів при кімнатній температурі дорівнює 0,025 еВ. Швидкості теплових нейтронів характеризуються енергією , де - абсолютна температура, a - стала Больцмана.

Надтеплові нейтрони - нейтрони з енергією від 0,1 еВ до 0,3 кеВ. При проходженні надтеплових нейтронів через поглинаючі і розсіюючі середовища, переріз взаємодії підпорядковується закону , де швидкість нейтрона. При цих значеннях енергії нейтронів у речовині відбуваються реакції радіаційного захоплення типу ().

Нейтрони проміжних енергій – нейтрони з енергією від 0,5 кеВ до 0,2 МеВ. Для нейтронів цих енергій найбільш типовим процесом взаємодії з речовиною є пружне розсіювання.

Швидкі нейтрони - нейтрони з енергією від 0,2 МеВ до 20 МеВ, характеризуються як пружними, так і не пружними розсіюваннями і виникненням граничних ядерних реакцій.

Надшвидкі нейтрони - це нейтрони, які мають енергію понад 20 МеВ. Вони характеризуються ядерними реакціями з виділенням великого числа частинок. При енергіях нейтронів більшими за 300 МеВ, спостерігається слабка їх взаємодія з ядрами (ядра стають прозорими для над швидких нейтронів). В цьому випадку появляються так звані "реакції сколювання", у результаті яких ядра, у які проникли нейтрони, діляться на кілька осколків.

Нейтрони тієї чи іншої енергетичної групи, проходячи через матеріальне середовище, поводяться досить специфічно. У загальному випадку нейтрони, які проникли в речовину, розсіюються і поглина-ються ядрами. Якщо на поверхню плоскої мішені ( речовини, що опромінюється нейтронами ) товщиною d падає паралельний пучок моно енергетичних нейтронів, швидкості яких спрямовані перпендикулярно до поверхні мішені, то після проходження цієї речовини частина нейтронів вибуває з пучка. На глибині х величина потоку первинних нейтронів ослабляється до значення Ф(х). Зменшення величини потоку нейтронів dФ у шарі dx дорівнює добутку помножену на величину Ф(х):

, (3.5.4.5)

де - повний переріз реакції;

- переріз пружного розсіювання нейтронів;

- переріз поглинання нейтронів;

- концентрація ядер поглинаючої речовини.

Знак мінус показує на зменшення потоку нейтронів у шарі речовини.

Розділимо змінні та інтегруємо це рівняння, одержимо:

. (3.5.4.6)

Постійну інтегрування С знайдемо з граничних умов: при , і . Замінимо в рівнянні (3.5.4.6) постійну С й одержимо:

. (3.5.4.7)

Потенціюючи останнє рівняння, одержимо закон ослаблення паралельного пучка нейтронів у плоскій мішені речовини, яка ними опромінюється:

. (3.5.4.)

Густина потоку Ф(х) зменшується із збільшенням товщини шару речовини за експонентним законом . Розподіл густини потоку первинних нейтронів по товщині мішені залежить від величини перерізу і концентрації ядер .

Переріз вимірюється експериментальне. Експериментальні дані нейтронних перерізів можна знайти в спеціалізованих збірниках і атласах ядерних констант.