Основные свойства нейтронов

В начале 1930 г. было установлено, что при бомбардировке a-частицами бериллия (входной канал реакции (4.6.9)) возникает сильно проникающее излучение, которому, если предположить что это γ-излучение, следовало приписать энергию Е_γ ≈ 50 МэВ по экспериментально измеренной кинетической энергии протонов отдачи и ослаблению излучения в свинце. Такую большую энергию нельзя было согласовать с энергетическим балансом реакции. Чеддвик (1932 г.) поставил опыты, которые позволили объяснить свойства загадочного излучения, предположив, что оно представляет собой поток нейтральных частиц с массой покоя, примерно равной массе протона (см. ниже). Открытая Чедвиком частица уже имела свое название - нейтрон. Предположение о существовании в составе ядра нейтрона допускалось Резерфордом задолго до опытов Чедвика и еще в 1920 г. в своей бейкеровской лекции им были описаны основные свойства нейтрона. Тогда же им было предложено и его название.

Электрический заряд нейтрона с огромной точностью (~ 10^‑20 е) равен нулю. Несмотря на это, нейтрон имеет магнитный момент μ = -1,91 ядерного магнетона Бора, что свидетельствует о его внутренней структуре (см. §1.9 п.8). Из-за отсутствия электрического заряда нейтроны не участвуют в кулоновском взаимодействии ни с атомными электронами, ни с ядрами. А так как размеры ядер ~ в 10^-4 раз меньше размеров атомов, то столкновения нейтронов с ядрами происходит значительно реже, чем заряженных частиц с атомами, и пути нейтронов между двумя последовательными столкновениями с ядрами составляют в конденсированных средах 1 – 10 см.

Захват же нейтронов ядрами по причинам, изложенным в §4.2, также маловероятен, и столкновения нейтронов с ядрами сопровождаются рассеянием, а не их поглощением. Поэтому потоки нейтронов принадлежат к сильно проникающему излучению.

Спин нейтрона, так же как и протона, оказался равным 1/2.

В отличие от протона, имеющего электрический заряд, масса m_n нейтрона, из-за его электрической нейтральности, не может быть измерена с помощью масс-спектрометров.

Первое определение массы m_n нейтрона было сделано Чедвиком. Схема опыта такова. Нейтроны, образующиеся в реакции (4.6.9), направлялись в ионизационную камеру, которая поочередно наполнялась водородом и азотом. Измерялась максимальная кинетическая энергия ядер отдачи, которая соответствует лобовому столкновению нейтронов с ядрами водорода или с ядрами азота в рабочем объеме ионизационной камеры. Законы сохранения энергии и импульса для упругого рассеяния при лобовых столкновениях нейтрона с неподвижным в ЛСК ядром отдачи, ведущих к передаче максимальной кинетической энергии, записываются следующим образом:

mnv2/2 = mn(v’) 2 /2 + MV 2/2, mnv = MV - mnv’,

(4.9.1)

где m_n, v и v’- масса нейтрона и его скорости до и после столкновения; Mи V – масса ядра отдачи и его скорость после столкновения. Отсюда:

2v = V(1 + M/mn).

(4.9.2)

Так как в обоих опытах первоначальная скорость v нейтронов до соударения оставалась одной и той же, то

V(1H)·(1 + M(1H)/mn) = V(14N)·(1 + M(14N)/mn).

(4.9.3)

Учитывая связь скорости ядра отдачи с его кинетической энергией

V = ,

(4.9.4)

из последних двух уравнений получим, что

(1 + M(1H)/mn)/(1 + M(14N)/mn) = = .

(4.9.5)

Единственной неизвестной величиной в (4.9.5), которую следует определить, является масса нейтрона m_n. Этот метод позволил установить лишь то, что масса нейтрона примерно равна массе протона.

Чедвик впервые использовал и другой, более точный метод измерения массы нейтрона, основанный на анализе энергетического баланса ядерных реакций с участием нейтрона. Все последующие работы по определению массы нейтрона основывались именно на этом принципе.

Наиболее высокая точность определения массы нейтрона получена при анализе реакции образования дейтона

n + 1H → 2H + γ

(4.9.6)

и обратной ей реакции ²H(γ, n)¹H фоторасщепления дейтона.

Если протон неподвижен, то закон сохранения энергии для реакции (4.9.6):

,

(4.9.7)

а из закона сохранения импульса следует, что

.

(4.9.8)

При Т_n » 0 (используется тепловые нейтроны) из (4.9.7) и (4.9.8) получим, что

.

(4.9.9)

Массы дейтона и протона m_d и m_p известны с большой точностью, а энергия E_g измеряется современными гамма спектрометрическими методами.

Наиболее точное значение массы нейтрона в настоящее время (1988 г.):

m_n = 939,56563±(28) МэВ.

В скобках указана погрешность в двух последних цифрах.

Как уже было отмечено, нейтрон является b-активной частицей с периодом полураспада 10,25 мин (τ = 887,6 ± 5 с, 1989 г.). Поэтому в свободном состоянии нейтроны в природе практически отсутствуют, если не считать небольшого количества нейтронов, рождающихся постоянно под действием космических лучей.

Источники нейтронов

Для получения свободных нейтронов используют различные ядерные реакции. Широко применяется в портативных нейтронных источниках реакция (см. §4.6). Источники нейтронов такого типа имеют сплошной энергетический спектр в диапазоне ~ 1 – 10 МэВ из-за ионизационного торможения первоначально моноэнергетических α-частиц и различных прицельных параметров взаимодействия.

Моноэнергетические нейтроны можно получать с помощью реакции (4.6.20) (Т_n = 2,5 МэВ) и (4.6.21) (Т_n = 14.1 МэВ). Реакция (4.6.21) широко используется для получения моноэнергетических нейтронов (Т_n = 14,1 МэВ) в специальных сравнительно низковольтных (0,1 - 0,3 МВ) ускорителях дейтонов, которые получили название генераторов нейтронов.

Для получения моноэнергетических нейтронов с заданной кинетической энергией используются эндоэнергетические реакции. Например:

p + 7Li → 7Be + n, Q = -1,65 МэВ.

(4.9.10)

При энергии протонов возле порога (Т_р = 1,88 МэВ) образуются нейтроны с энергией 30 кэВ, движущиеся в узком конусе. При увеличении энергии протонов угол раствора конуса растет. Изменяя энергию протонов от порога до 5 МэВ и угол отбора нейтронов с помощью этой реакции можно получать моноэнергетические нейтроны с энергией от 30 кэВ до 3,3 МэВ.

Реакция

p + 3H → 3He + n, Q = -0,764 МэВ

(4.9.11)

почти вытеснила реакцию (4.9.10) на литии. Пороговое значение энергии протонов Т_р = 1,019 МэВ, при которой образуются нейтроны с энергией 64 кэВ. Достоинством этой реакции является отсутствие возбужденных состояний ядра ³Не, что позволяет получать моноэнергетические нейтроны с энергией от 64 кэВ до 4 МэВ.

Для получения нейтронов используют фотоядерные реакции, например (энергии нейтронов указаны вблизи порога):

.

(4.9.12)

При изменении энергии γ-квантов с помощью реакций (4.9.12) можно получать почти монохроматические нейтроны с энергиями ~ 0,01 ÷ 1 МэВ.

Свободные нейтроны можно получать при делении тяжелых ядер. Нейтроны деления образуются либо в актах спонтанного распада ядер, либо в результате реакций деления (вынужденное деление).

В настоящее время получили большое распространение источники нейтронов, использующие спонтанное деление , дающих большой удельный поток нейтронов ~ 2,5×10⁶ нейтронов в секунду на 1 мкг . Энергетический спектр нейтронов источника - сплошной, с максимумом при энергии нейтронов около 1 МэВ, по внешнему виду мало отличается от спектра деления ядер урана и плутония.

Большие потоки нейтронов возникают при работе ядерных реакторов. Через поверхность активной зоны реактора проходит до 10¹⁷ – 10¹⁸ нейтронов в секунду. В центральной части активной зоны реакторов на быстрых нейтронах плотность потока нейтронов может достигать ~ 10¹⁶ (см² с)^-1.

Мощным источником нейтронов является ядерный взрыв. В цепной реакции деления при взрыве образуется 2×10²³ нейтронов на 1 кт тротилового эквивалента (количества тротила, эквивалентное по энергии взрыва). При термоядерном взрыве образуется примерно в 10 раз больше нейтронов в расчете на 1 кт тротилового эквивалента. Ядерный взрыв, образующий 10²⁴ нейтронов, на расстоянии 100 м создает интегральный по времени поток нейтронов (флюэнс)~10¹⁰ см^-2.

Для получения нейтронов используются электронные ускорители (см. §4.8) в качестве генераторов тормозного излучения с последующим образованием нейтронов в (g,n) реакциях (§4.8).

При облучении тяжелымизаряженными частицами нейтроны можно получать из любой мишени при достаточной (> 10 MэB) энергии частиц р, a, d.

Энергетические группы

Двигаясь в средах, нейтроны проявляют удивительное многообразие свойств. Нейтроны эффективно взаимодействуют с ядрами от самых малых достижимых энергий T_n ~ 10^-7 эВ до энергий в несколько сотен эВ. Нейтроны могут вступать с ядрами в различные ядерные реакции и поглощаться или испытывать на ядрах упругое или неупругое рассеяние, участвуя в диффузионном движении. Вероятности этих процессов определяется кинетической энергией нейтронов, и поэтому оказывается целесообразным разделение их по принадлежности к энергиям на определенные энергетические области или группы, для которых характерны определенные виды ядерных взаимодействий.

По величине кинетической энергии T_n нейтроны разделяются на две большие группы – медленные (0 < T_n ≤ 1000 эВ) и быстрые (T_n > 100 кэВ). Замыкают эти две области энергий т.н. промежуточные нейтроны. В свою очередь, область медленных нейтронов подразделяется на холодные, тепловые и резонансные нейтроны. Следует, однако, иметь в виду, что любая градация свойств нейтрона по энергии условна. Ниже дается одна из возможных схем подобной классификации.

холодные Т_n < 0,025 эВ,

тепловые Т_n = 0,025 ¸ 0,5 эВ,

резонансные Т_n = 0,5 эВ ¸ 1 кэВ.

ПромежуточныеТ_n = 1 ¸ 100 кэВ.

Быстрые Т_n = 100 кэВ ¸ 14 МэВ.

При взаимодействии с веществом у холодных нейтронов отчетливо проявляются волновые свойства. Например, де-бройлевская длина волны нейтрона

(4.9.13)

становится сравнимой с размером атома (~ 10^-8 см) при энергии нейтрона Т_n ≤ 0,002 эВ. Нейтронные волны в веществе могут испытывать дифракцию, преломление, отражение (даже полное), могут поляризоваться. В отличие от рентгеновских лучей, которые испытывают рассеяние на электронах, нейтроны рассеиваются на ядрах. Поэтому дифракция холодных нейтронов дает информацию не об электронной, а непосредственно о ядерной, т.е. атомно-молекулярной структуре вещества. Дифракция холодных нейтронов позволяет производить кристаллографические исследования сплавов и соединений с близкими атомными номерами, когда рентгенографические исследования оказываются бессильными. Сечение захвата нейтронов ядрами при уменьшении энергии нейтронов сильно возрастает в соответствии с законом «1/v_n», где v_n - скорость нейтронов, и в этой энергетической области может иметь громадное значение.

Получение холодных нейтронов сложный и дорогостоящий технический процесс и по этой причине они не используются в ядерной энергетике.

Энергия Т_n = 0,025 эВ определяет область тепловых нейтронов, которая соответствует комнатной температуре Т = 290 К и скорости нейтронов v_n = 2200 м/с. Эти величины часто используются в качестве стандартных для тепловых нейтронов. Энергия тепловых нейтронов определяется тепловым равновесием со средой. Поэтому тепловые нейтроны имеют большой разброс по энергиям, а заметная доля нейтронов имеет энергию больше стандартной, равной kT. Температура в ядерном реакторе значительно превышает комнатную и поэтому к тепловым нейтронам относят обычно нейтроны с энергиями до ~ 0,5 эВ. Сечения реакций нейтронов с ядрами, в том числе и приводящие к делению, в этой области также достаточно велики.

Получение тепловых нейтронов в огромных количествах является хорошо освоенным процессом, и тепловые нейтроны находят широкое применение в ядерной энергетике.

Нейтроны с энергией Т_n = 0,5 эВ ¸ 1 кэВ называются резонансными потому, что в этой области для средних и тяжелых ядер сечения нейтронных реакций имеют обычно много тесно расположенных резонансов. В качестве примера на рис. 4.9.1 показана зависимость сечения деления ²³⁵Uот энергии нейтронов.

В промежуточнойобласти энергий нейтронов отдельные резонансы сливаются (исключением являются легкие ядра) и сечения в среднем падают с ростом энергии нейтронов.

Быстрые нейтроны имеют огромное прикладное значение, так как в большинстве реакций, используемых для получения свободных нейтронов, кинетическая энергия образующихся нейтронов Т_n > 100 кэВ. В ядерной энергетике при делении ядер рождаются быстрые нейтроны со средней энергией ~2 МэВ, которые используются для последующего деления ядер непосредственно, или после замедления.

Сечение взаимодействия быстрых нейтронов с ядрами существенно меньше, чем у тепловых или резонансных нейтронов. Полное сечение (сумма сечений всех возможных процессов) в быстрой области , гдеR - радиус ядра, а - де-бройлевская длинаволны нейтрона (4.9.13). Главная особенность быстрой области состоит в том,что вероятность образования составного ядра в ней мала и полное сечение примерно равно сечениюрассеяния s_s,которое равно сумме сечений упругого σ_el и неупругогорассеяния σ_nel:

(4.9.14)

При энергии нейтронов Т_n > 8 МэВ сечение рассеяния на тяжелых ядрах снижается из-за конкуренции реакций (n,2n) и (n, f).

Быстрые нейтроны с энергией Т_n > 10 МэВ имеют де-бройлевскую длину волны порядка размеров ядра и нейтронная волна может испытывать дифракционное рассеяние на ядрах, а вероятность рассеяния нейтронов от угла рассеяния q имеет ярко выраженную картину дифракции с главным максимумом при q = 0° и побочными при q порядка нескольких десятков градусов.

Быстрые нейтроны после их рождения при делении ядер могут быть использованы в ядерном оружии или в реакторах на быстрых нейтронах.