Упругое и неупругое рассеяние нейтронов, процесс замедления нейтронов.

Упругое рассеяние – это название процесса, посредством которого быстрые или промежуточные нейтроны испытывают упругие столкновения на ядрах атомов поглотителя и нейтрон отклоняется или рассеивается. Упругое столкновение является столкновением, при котором суммарная кинетическая энергия частиц сохраняется, то есть она одинакова после и перед соударением. При упругом столкновении быстрый или промежуточный нейтрон соударяется с ядром поглотителя и теряет часть своей первоначальной энергии. Эта энергия передается ядру-мишени в виде кинетической энергии и ядро-мишень как бы отскакивает. Затем нейтрон отклоняется или рассеивается.

Неупругое рассеяние. Более сложное взаимодействие может иметь место, когда быстрые или промежуточные нейтроны сталкиваются с мишенью, которая намного больше, чем они сами, и не отскакивает (как в случае упругого рассеяния), а временно поглощается ядром-мишенью. После короткого времени нейтрон переиспускается с уменьшенной энергией, а ядро-мишень остается в возбужденном состоянии. Затем ядро снимает возбуждение путем испускания гамма-излучения. Поскольку суммарная кинетическая энергия не сохраняется при этом столкновении (потому что часть энергии идет на образование гамма-излучения), этот тип столкновения называется неупругим столкновением. А сам тип взаимодействия называется неупругим рассеянием.

Замедле́ниенейтро́нов — процесс уменьшения кинетической энергии свободных нейтронов в результате их многократных столкновений с атомными ядрами вещества. Вещество, в котором происходит процесс замедления нейтронов, называется замедли́телем. Замедление нейтронов применяется, например, в ядерных реакторах на тепловых нейтронах.

Методы получения нейтронов.

Изотопные (ампульные) источники нейтронов

В изотопных источниках нейтроны получаются либо в результате спонтанного деления (²⁵²Cf), либо в результате ядерных реакций (α,n) на легких ядрах, например ⁹Be(α,n)¹²C. В качестве источников альфа-частиц используются альфа-активные изотопы ²¹⁰Po, ²²⁶Ra, ²³⁹Pu, ²⁴¹Am. Интенсивность потока нейтронов от изотопных источников ограничена активностью препарата и обычно заметно меньше 10⁸ нейтронов в секунду. Кроме того, такие изотопные источники имеют сплошной спектр нейтронов (~0.1 - 12 МэВ) и высокий фон гамма-излучения. Изотопные источники монохроматических нейтронов небольших энергий можно создать, использовав реакцию (γ,n). Для этого используется реакции d(γ,n)p (энергия реакции Q = -2.23 МэВ) с монохроматическим источником гамма-квантов на основе ²⁰⁸Tl (E_γ = 2.62 МэВ), энергия нейтронов 200 кэВ и ⁹Be(γ,n)2⁴He (Q = -1.65 МэВ) с источником гамма-квантов на основе ²¹⁴Bi (E_γ ≈ 1.78 МэВ), энергия нейтронов 110 кэВ.

Источники гамма-квантов. Гигантский дипольный резонанс.

Обычно в качестве радиоактивных источников гамма-квантов используются бета-активные изотопы.

На рис. 1 в качестве примера показаны схемы распада ⁶⁰Co и ²²Na. Ядро ⁶⁰Co в основном распадается на возбужденное состояние 4⁺ дочернего ядра ⁶⁰Ni посредством разрешенного гамов-теллеровского перехода. Это возбужденное состояние переходит в основное посредством каскада E2-переходов с энергиями гамма-квантов 1173 и 1333 кэВ. Ядро ²²Na испытывает β⁺-распад. Также, как и в случае ⁶⁰Co, распад происходит в основном на возбужденное состояние дочернего ядра. ²²Na является источником γ-квантов с энергией 1275 и 511 кэВ. Последние образуются в результате аннигиляции позитронов. Кроме бета-активных изотопов в качестве источников гамма-квантов используются также изомеры, например ^119mSn. Период полураспада измерного состояния ^119mSn T_1/2 = 293.1 дня, энергия 23.9 кэВ. Кроме гамма-линии от распада изомерного состояния ^119mSn является источником рентгеновских квантов с энергиями 25.2 и 28.6 кэВ, которые сопровождают процесс внутренней конверсии, конкурирующим с гамма-переходом.
Собственные ширины γ-линий на много порядков меньше энергий γ-квантов, поэтому радиоактивные источники можно считать монохроматическими. Интенсивность радиоактивных источников может быть доведена до 10¹⁴ фотонов в секунду.

Термоядерные реакции.

Термоядерная реа́кция — разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые за счет кинетической энергии их теплового движения.

Происхождение термина

Для того, чтобы произошла ядерная реакция, исходные атомные ядра должны преодолеть так называемый «кулоновский барьер» — силу электростатического отталкивания между ними. Для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Согласно кинетической теории, кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества (атомов, молекул или ионов) можно представить в виде температуры, а следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции. Именно эту взаимосвязь нагревания вещества и ядерной реакции и отражает термин «термоядерная реакция».

Термоядерная реакция – это ядерная реакция между легкими атомными ядрами, протекающая при очень высокой температуре (выше 108 К). При этом образуется большое количество энергии в виде нейтронов с высоким энергетическим показателем и фотонов – частиц света. Высокие температуры, а следовательно, и большие энергии ядер, которые сталкиваются, необходимы для преодоления электростатического барьера. Этот барьер обусловлен взаимным отталкиванием ядер (как одноименно заряженных частиц). Иначе они не смогли бы сблизиться на расстояние, достаточное для действия ядерных сил (а это примерно 10-12 см). Термоядерная реакция представляет собой процесс образования ядер, которые сильно связаны между собой, из более рыхлых. Почти все подобные реакции относятся к реакциям слияния (синтеза) более легких ядер в тяжелые. Кинетическая энергия, необходимая для преодоления взаимного отталкивания, должна увеличиваться по мере увеличения заряда ядра. Поэтому легче всего проходит синтез легких ядер, обладающих малым электрическим зарядом. В природе термоядерная реакция может протекать лишь в недрах звезд. Для ее осуществления в земных условиях необходимо разогреть вещество одним из возможных способов: ядерным взрывом; бомбардировкой интенсивным пучком частиц; мощным импульсом лазерного излучения или газовым разрядом. Термоядерная реакция, которая идет в недрах звезд, играет архиважную роль в эволюции Вселенной. Во-первых, из водорода в звездах образуются ядра будущих химических элементов, а во-вторых, это энергетический источник звезд.