Способы поглощения нейтронов веществом
6. Ядерные реакции с нейтронами. Поглощение и рассеяние нейтронов в веществе
Ряд работ группы Курчатова по нейтронной физике, выполненных на протяжении 1934-1936 гг., был посвящен исследованию характера ядерных реакций, происходящих при облучении легких элементов нейтронами. В качестве основной аппаратуры применялась камера Вильсона (одна находилась в ГРИ, вторая — в УФТИ, третья — в Ленинградском пединституте им. М. Н. Покровского, где ее изготовлением руководил непосредственно Курчатов). В работе [126] было найдено, что при облучении лития медленными нейтронами наблюдаются треки двух тяжелых частиц, разлетавшихся под углом в 180°; были измерены также пробеги этих частиц. Авторы пришли к выводу: высказанное в прежних работах предположение о том, что происходит реакция 6 Li+n → 4 He+ 3 H, с большой степенью вероятности правильно.
Известно, что бор отличается большим сечением поглощения нейтронов. С целью выяснения типа взаимодействия было предпринято исследование реакции B+ n. Ранее предполагалось, что имеет место реакция 10 B+n 4 Не+ 4 He+ 3 H. Курчатов с сотрудниками показали [127], что реакция происходит с вылетом только двух частиц, и высказали предположение, что реакция такова: 10В (n, α) 7 Li. В дальнейшем многие лаборатории занимались выяснением механизма реакции В+n. Группа Курчатова вернулась к этому вопросу в 1938 г. [128]. Наличие двух отличающихся по пробегам групп α-частиц было предложено трактовать следующим образом: в части случаев ядро-продукт 7 Li образуется в возбужденном состоянии, причем энергия возбуждения равна 420 кэВ. *
* ( В настоящее время известно, что эти соображения о реакции B+n правильны. Энергия первого возбужденного уровня ядра 7 Li, согласно более точным измерениям, равна 478 кэВ.)
В работе [129] была поставлена весьма существенная для ядерной физики задача — исследовать взаимодействие между нейтроном и протоном и оценить сечение захвата медленного нейтрона протоном с образованием дейтона. В статье отмечалось, что имеющиеся экспериментальные и теоретические данные о величине этого сечения резко расходятся (0.1-0.01 б и 10 -3 б соответственно). Оценка величины того же сечения, выполненная на основании данных об «обратной реакции» 2 Н (γ, n) 1 H, также приводила к результату σ
10 -3 б. В работе группы Курчатова определение сечения реакции 1 Н(n, γ) 2 Н было выполнено путем измерения интенсивности γ-лучей, возникающих в реакции. Для этого был изготовлен газоразрядный γ-счетчик с толстыми свинцовыми стенками. В работе отмечено, что полученное среднее значение σ
0.25 б (оно относится к нейтронам, энергия которых в образце различна) следует рассматривать как первое приближение, так как погрешности измерения велики. Заметим, однако, что оно мало отличается от принятого в настоящее время значения σ=(322±2)·10 -3 б (для тепловых нейтронов). Полученный в работе [129] результат показал, что теория дейтона, предложенная Бете и Пайерлсом, нуждается в коренном пересмотре. Эта работа стимулировала ряд экспериментальных исследований взаимодействия n-р при разных энергиях, результатом которых было открытие зависимости ядерных сил от взаимного направления спинов нейтрона и протона (Ю. Вигнер, 1935-1936).
В 1935 г. в печати начали появляться работы группы Курчатова по поглощению и рассеянию нейтронов в веществе. Вскоре выяснилось, что при этом наблюдается ряд аномалий, необъяснимых с позиций принятой тогда «одночастичной модели» взаимодействия нейтронов с ядрами. В частности, не выполнялся так называемый закон 1/υ, согласно которому при очень малых скоростях υ нейтронов сечение захвата нейтрона ядром должно изменяться обратно пропорционально величине υ. Далее, было установлено, что измеренный коэффициент поглощения медленных нейтронов ядрами различных элементов зависит от того, какой элемент используется в качестве радиоактивного индикатора. Наибольшая величина этого коэффициента для данного элемента получалась в том случае, когда об интенсивности прошедшего через поглотитель потока нейтронов судят по искусственной радиоактивности, наведенной в индикаторе, сделанном из того же элемента.
Лев Андреевич Арцимович. 1940 (?) г.
Работа [130] была одной из первых, в которых было обнаружено это явление (статья отправлена в печать в мае 1935 г.). В ней впервые было отмечено: одно из предположений, которые можно выдвинуть для объяснения полученных результатов, состоит в том, что имеет место избирательная чувствительность индикатора к различным по энергии нейтронам; «поглощение медленных нейтронов имеет резонансный характер, т. е. σ (Е) имеет резко выраженный максимум в определенном интервале энергий» [130, с. 666]. Эта же гипотеза обсуждалась и в других статьях группы Курчатова, опубликованных в том же году [131, 132].
Естественно, что возможность различных истолкований полученных результатов вызвала в лаборатории Курчатова многочисленные и подчас бурные дискуссии. А. И. Алиханов, вспоминая те времена, писал: «[драматическая ситуация] возникла в связи с обнаружением резонансного поглощения нейтронов. В этой работе участвовал и Л. А. Арцимович. Он взял на себя роль «адвоката дьявола». Он упорно настаивал, что их опыты еще не доказывают с полной уверенностью существования резонансного поглощения нейтронов. Обычно спор кончался на том, что «противники» (Арцимович и Курчатов,- А. Г. и В. Ф.) приходили к соглашению: провести еще один, решающий эксперимент. И так было несколько раз, пока наконец не появилась статья Э. Ферми и его сотрудников, в которой сообщалось о существовании резонансного поглощения нейтронов» [133, с. 33]. Речь идет о двух заметках Амальди и Ферми, опубликованных в ноябре и декабре 1935 г. В первой из них [134], а также независимо в работе Л. Сциларда [135] было показано, что селективное поглощение медленных нейтронов проявляется значительно более резко, если они предварительно проходят через достаточно толстый слой кадмия. Делался вывод о существовании относительно узких полос поглощения нейтронов, характерных для разных элементов. Было введено вскоре получившее широкое распространение буквенное обозначение групп. Например, группа С обозначала нейтроны, сильно поглощаемые кадмием. * Во второй заметке [137] было дано четкое определение понятия «группа нейтронов» и приведены результаты исследования поглощения различных групп (однако и здесь еще не говорится об энергетической природе групп). В следующем году появился подробный обзор Амальди и Ферми «О поглощении и диффузии медленных нейтронов» [138].
* ( Любопытно, что одной из причин введения таких «нейтральных» обозначений было нежелание Ферми делать какие-либо указания на то, что разные группы нейтронов отличаются по энергии. На первых порах он считал, что такое предположение еще не доказано [136, с. 44].)
К этому времени физикой нейтронов занимались уже многие прославленные лаборатории в Западной Европе и США. Появились мощные источники нейтронов, в которых использовались пучки дейтонов, ускоренные в высоковольтном ускорителе или в циклотроне. В распоряжении группы Курчатова не было подобной технической базы; в этих условиях ей трудно было соревноваться с другими группами. Тем не менее, как мы видели, работы, проводившиеся в этой лаборатории, отличались актуальностью, разносторонним подходом к исследуемым проблемам и были на уровне лучших работ того времени. После того, как при помощи явления селективного поглощения нейтронов был объяснен ряд загадок, и особенно после появления в начале 1936 г. фундаментальной работы Н. Бора [139], в которой он предложил новую модель ядерных реакций и убедительно объяснил физическую природу селективного поглощения нейтронов, было опубликовано множество работ, поставленных с целью доказательства и уточнения новых теоретических представлений. В это же время количественная теория резонансного поглощения нейтронов была разработана Брейтом и Вигнером [140]. В такие исследования внесли свой вклад и Курчатов с Русиновым и Щепкиным, причем эти работы проводились в основном в УФТИ, в лаборатории А. И. Лейпунского (1936-1937 гг). Укажем здесь на работу [141], посвященную поглощению С-нейтронов в серебре, кадмии и боре при различных температурах. Эта работа была доложена на 2-й Всесоюзной конференции по атомному ядру (Москва, 20-26 сент. 1937 г.). Одной из особенностей этого исследования был охват очень широкого диапазона температур (20.4÷463 К). Проведение такой работы оказалось возможным благодаря тому, что в криогенной лаборатории УФТИ, руководимой Л. В. Шубниковым, действовала первая в нашей стране и пущенная в ход в 1931 г. установка для получения жидкого водорода.
Источник
Способы поглощения нейтронов веществом
Свойства нейтронов различных энергий. Проходя сквозь вещество, нейтроны вызывают различные ядерные реакции и упруго рассеиваются на ядрах. Интенсивностью этих микроскопических процессов, в конечном счете, определяются все макроскопические свойства прохождения нейтронов через вещество, такие, как замедление, диффузия, поглощение и т. д. Так как нейтрон имеет нулевой электрический заряд, он практически не взаимодействует с электронами атомных оболочек. Поэтому атомные характеристики среды не играют никакой роли в распространении нейтронов в веществе. Это чисто ядерный процесс.
Сечения различных нейтрон-ядерных реакций зависят от энергии нейтронов, сильно и нерегулярно изменяются от ядра к ядру при изменении A или Z. Сечения взаимодействия нейтронов с ядрами в среднем растут по закону «1/v» при уменьшении энергии нейтрона. По этому свойству нейтроны разделяются на две большие группы – медленных и быстрых нейтронов. Граница между этими группами не является строго определённой. Она лежит в области 1000 эВ.
Нейтроны классифицируют по энергии.
Медленные : энергия Резонансные : 1 эВ ÷ 10 кэВ, Промежуточные : 10 кэВ ÷ 1 МэВ, Быстрые : 1 МэВ ÷ 100 МэВ, Релятивистские : > 100 МэВ.
В свою очередь медленные нейтроны принято подразделять на тепловые и холодные .
Тепловые нейтроны находятся в тепловом равновесии с атомами среды. Их средние энергии − сотые доли электронвольта. Часто в качестве характерной энергии теплового нейтрона указывают величину 0.025 эВ, полученную из соотношения
где k — постоянная Больцмана, для абсолютной температуры, соответствующей энергии тепловых нейтронов, получается значение Т = 300 0 , т.е. комнатная температура. Таким образом, энергия Етепл соответствует наиболее вероятной скорости нейтронов, находящихся в тепловом равновесии со средой при комнатной температуре.
Заметим, что скорость медленных нейтронов весьма относительна. Даже нейтрон с энергией
0.025 эВ имеет скорость 2 км/сек.
Холодными называют нейтроны с энергиями ниже 0.025 эВ:
| Ехол резонансными , потому что в этой области для средних и тяжёлых ядер полное нейтронное сечение велико и его зависимость от энергии представляет собой густой частокол резонансов. Нейтроны с энергиями от 10 кэВ до 1 МэВ называют промежуточными . Часто в промежуточные включают и резонансные нейтроны. В этой области энергий отдельные резонансы сливаются (исключением являются лёгкие ядра) и сечения в среднем падают с ростом энергии. К быстрым относят нейтроны с энергиями от 1 до 100 МэВ. Нейтроны с энергиями выше 100 МэВ относят к релятивистским . |
В таблице 5 приведены области энергий и порядки величин сечений различных ядерных реакций под действием нейтронов.
| Тип реакции | Сечение реакции |
|---|---|
| Радиационный захват ( n,  ) | Идёт на всех ядрах. Сечение: для тепловых нейтронов варьируется в широком интервале от 0,1 до 10 3 и даже 10 4 барн (  ); для быстрых нейтронов – от 0.1 до нескольких барн. |
| Сечение варьируется в интервале нескольких барн. | |
| Пороговая реакция. Сечение по порядку величины несколько барн. | |
| (n,p) | Наиболее важные реакции:   тепл.нейтр = 5400 барн,  тепл.нейтр.=1.75 барн. |
| ( n, α ) | Наиболее важные реакции:  тепл.нейтр.=945 барн,  тепл.нейтр.=3840 барн |
| (n,2n) | Пороговая реакция. Порог 10 — 15 МэВ. |
| (n,f) | В подавляющем большинстве случаев пороговая реакция. Сечение очень мало, исключая отдельные случаи  ,  и т.д. |
При небольших энергиях (0.01100 эВ) для получения монохроматических нейтронов можно использовать их дифракцию на кристалле. Зависимость энергии нейтронов от угла их отражения от поверхности кристалла φ даётся формулой Брэгга-Вульфа
где m − масса нейтрона, d − расстояние между соседними атомными плоскостями в кристалле, n − целое число (порядок спектра).
Так как у нейтронов отсутствует электрический заряд, они взаимодействуют главным образом с ядрами атомов вещества. В отличие от протонов, которые не могут эффективно взаимодействовать с ядром при малых энергиях из-за кулоновского барьера, нейтроны даже при низких энергиях способны подойти к ядру на расстояние порядка радиуса действия ядерных сил.
Явления, происходящие при взаимодействии нейтронов с ядрами, зависят от кинетической энергии нейтронов.
Нейтроны с энергиями десятки кэВ и более передают энергию в основном в результате прямых столкновений с атомными ядрами. Для быстрых нейтронов наиболее важным результатом взаимодействия являются упругие (n,n) и неупругие (n,n′) столкновения с ядрами. Под действием быстрых нейтронов также эффективно идут реакции типа (n,α), (n,p), (n,2n), реакции деления (n,f), и др.
Для нейтронов с энергиями доли эВ ÷ 10 кэВ наблюдаются максимумы в сечении взаимодействия при определённых значениях энергий нейтронов, характерных для данного вещества. Основные процессы — рассеяние и замедление нейтронов до тепловых скоростей.
Энергии тепловых нейтронов (сотые доли эВ) не превышают энергии связи атомов в водородосодержащих молекулах. Поэтому в случае, если не происходит ядерной реакции, тепловые нейтроны могут вызвать лишь возбуждения колебательных степеней свободы, что приводит к разогреву вещества.
Важными процессами для тепловых нейтронов являются также ядерные реакции. Наиболее характерные из них — реакции радиационного захвата (n,γ). При уменьшении энергии нейтронов сечение упругого рассеяния (n,n) остается примерно постоянным на уровне нескольких барн, а сечение (n,γ) растет по закону 1/v, где v — скорость налетающего нейтрона. Поэтому для очень медленных нейтронов возрастает не только абсолютная, но и относительная роль реакций радиационного захвата.
Замедление нейтронов. Замедление нейтронов происходит при упругих столкновениях с ядрами, т.к. если до столкновения ядро покоилось, то после столкновения оно приходит в движение, получая от нейтрона некоторую энергию. Поэтому нейтрон замедляется. Однако это замедление нейтронов не может привести к их полной остановке из-за теплового движения ядер. Энергия теплового движения порядка kT. Если нейтрон замедлился до этой энергии, то при столкновении с ядром он может с равной вероятностью как отдать, так и получить энергию. Нейтроны с энергиями kT находятся в тепловом равновесии со средой. Поглощение и диффузия нейтронов происходят как во время замедления, так и после окончания этого процесса.
Практическая важность процесса замедления обусловлена тем, что в большинстве нейтронных источников (реактор, радон-бериллиевая ампула и т. д.) нейтроны рождаются в основном с энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ, в то время, как большинство важных в прикладном отношении нейтронных реакций, согласно закону «1/v», наиболее интенсивно идёт при низких энергиях нейтронов.
Для того чтобы понять основные закономерности процесса замедления нейтронов, рассмотрим сначала среднюю потерю энергии быстрого нейтрона при столкновении с ядром водорода – протоном. Так как массы нейтрона и протона примерно равны, то баланс энергии при столкновении имеет вид
 |
где E0, v – начальные энергия и скорость нейтрона, vn, vp – соответственно скорости нейтрона и протона после столкновения. Поскольку в системе центра инерции рассеяние изотропно, то в среднем протон и нейтрон и в лабораторной системе имеют после столкновения одинаковые энергии (благодаря равенству их масс):
где E1 – средняя энергия нейтрона после столкновения. Таким образом, в водороде энергия нейтрона в среднем уменьшается вдвое при каждом столкновении. Если нейтрон сталкивается не с протоном, а с более тяжёлым ядром, то средняя потеря энергии при столкновении уменьшается При рассеянии нейтрона на ядре с массовым числом А средняя потеря энергии определяется соотношением
E1 = (1-a/2), где  |
 =  /6 |
dN/dE e -E/kT E 1/2 , E ≤ 1 эВ. |
L 2 =  /6, |
| Замедлители | τ (см 2 ) | L(см) |
| H2O (вода) | 31 | 2.72 |
| D2O (тяжёлая вода) | 125 | 159 |
| Be (бериллий) | 86 | 21 |
| C (графит) | 313 | 58 |
Величина L зависит не только от собственно диффузии, но и от поглощающих свойств среды. Поэтому L не полностью характеризует процесс диффузии. Дополнительной независимой характеристикой диффузии является среднее время д жизни диффундирующего нейтрона.
Альбедо нейтронов. Интересным свойством нейтронов является их способность отражаться от различных веществ. Это отражение не когерентное, а диффузное. Его механизм таков. Нейтрон, попадая в среду, испытывает беспорядочные столкновения с ядрами и после ряда столкновений может вылететь обратно. Вероятность такого вылета носит название альбедо нейтронов для данной среды. Очевидно, что альбедо тем выше, чем больше сечение рассеяния и чем меньше сечение поглощения нейтронов ядрами среды. Хорошие отражатели отражают до 90% попадающих в них нейтронов, т.е. имеют альбедо до 0.9. в частности, для обычной воды альбедо равно 0.8. Неудивительно поэтому, что отражатели нейтронов широко применяются в ядерных реакторах и других нейтронных установках. Возможность отражения нейтронов объясняется следующим образом. Вошедший в отражатель нейтрон при каждом столкновении с ядром может рассеяться в любую сторону. Если нейтрон у поверхности рассеялся назад, то он вылетает обратно, т.е. отражается. Если же нейтрон рассеялся в другом направлении, то он может рассеяться так, что уйдёт из среды при последующих столкновениях. Этот же процесс приводит к тому, что концентрация нейтронов резко снижается вблизи границы среды, в которой они рождаются, т.к. вероятность для нейтрона уйти наружу велика.
Источник
