Классификация нейтронов по энергиям.

Как правило, нейтронные источники содержат замедлители и, хотя рождаются нейтроны с энергиями 1-2 МэВ и больше, после замедления спектр нейтронов имеет типичный вид, представленный на рис.

Рис. Спектр нейтронов, испускаемых реактором.

Нейтроны различных энергий можно разделить на группы. Деление производят, учитывая особенности взаимодействий в определенных областях энергий. Хотя эти различные области могут сливаться друг с другом и даже перекрываться, такое деление по категориям очень удобно и часто необходимо для понимания некоторых специальных типов взаимодействий.

Быстрые нейтроны, замедленные до средней энергии атомов среды, называют тепловыми нейтронами. Энергия и соответствующие скорости нейтронов зависят от температуры среды. Нейтроны с энергиями, равными энергии теплового движения атомов среды, и есть тепловые:

T_тепл = kT, (11)

где k =1.38∙ 10^-5 эВ∙ К^-1– постоянная Больцмана; T – абсолютная температура. При комнатной температуре (T ≈ 293 K) наиболее вероятная скорость теплового движения нейтронов равна 2, 200*10⁵ см/сек, а соответствующая ей энергия теплового движения kT ≈ 0, 0253 эВ (средняя тепловая энергия частицы равна 3/2kT).

Последующие соударения тепловых нейтронов с ядрами вещества не приводят к дальнейшему замедлению нейтронов, так как они с равной вероятностью могут как потерять, так и приобрести энергию порядка kT (все ядра вещества имеют энергию такого порядка). Поэтому при последующих соударениях тепловые нейтроны только перемещаются – диффундируют в веществе (с сохранением в среднем энергии теплового движения) до тех пор, пока не поглотятся каким-либо ядром или не вылетят за пределы замедлителя. В результате в замедлителе будет происходить накопление тепловых нейтронов. Спектр нейтронов в замедлителе должен быть близок к максвелловской кривой с приподнятым правым крылом (из-за непрерывно поступающих в замедлитель быстрых нейтронов). Расчет показывает, что спад числа нейтронов при больших энергиях должен происходить по закону 1/E (спектр Ферми).

Нейтроны, энергия которых превышает энергию 0.5 - 1 эВ, называются эпитепловыми (надтепловыми) или резонансными. Нейтроны, энергия которых много меньше тепловой (левая часть кривой), называются холодными. Все нейтроны с T_n> 0, включая холодные, тепловые и надтепловые, называются медленными. Верхняя граница спектра медленных нейтронов довольно условна. Иногда ее «дотягивают» до 10⁴-10⁵ эв. Иногда же, наоборот, даже нейтроны с энергией T_n> 10⁴ называют быстрыми.

В области энергий от 1 до сотен килоэлектронвольт различные ядра сильно поглощают нейтроны при вполне определенных энергиях. Это поглощение называется резонансным, а нейтроны, имеющие соответствующие энергии, - резонансными нейтронами.

В области более высоких энергий классификация нейтронов по энергии определена менее строго. Обычно быстрыми нейтронами называют те, которые попадают в область от 0, 5 до 10-20 МэВ.

Особое место занимают исследования с ультрахолодными нейтронами. УХН обладают свойством отражаться от поверхностей многих веществ. Они были обнаружены в экспериментах, проведённых в ЛНФ ОИЯИ (Дубна) под руководством Ф.Л. Шапиро в 1968 г. Удивительные свойства УХН позволяют с высокой точностью изучать фундаментальные характеристики нейтрона: период полураспада, дипольный момент и т.д. В настоящее время в мире существует целый ряд интенсивных источников УХН.

1. Взаимодействие нейтронов с ядрами.

Пусть мишенью является ядро золота, расположенное внутри объема пространства кубической формы с длиной ребра 1 см (рис. 1), и на одну из граней этого кубика под углом 90^о в единицу времени (1 сек) падает нейтронов однородно распределенных в пространстве ( – не что иное как плотность потока нейтронов и имеет размерность см^-2с^-1). Отметим, что других частиц помимо тех, которые бомбардируют кубик, нет. В результате взаимодействия с ядром из каждых частиц N изменит траекторию (рассеется) или будут захвачены. Поэтому численно вероятность взаимодействия нейтрона с ядром золота равна . Именно это отношение с учетом его размерности и называют полным эффективным сечением σ _t, т. е.

Очевидно, σ _t имеет размерность площади (см²).

Рис. 1. К понятию “эффективное сечение”

Происхождение словосочетания “поперечное эффективное сечение” можно пояснить следующим примером. При механическом соударении двух шаров, из которых один покоится внутри единичного кубического объема, а о другом известно лишь то, что он падает нормально на грань этого кубика и имеет размеры незначительные по сравнению с размерами покоящегося шара, вероятность соударения шаров численно равна площади поперечного сечения s покоящегося шара, т.е. σ = s.

Для взаимодействий, не являющихся механическими (контактными), σ - эффективная площадь, характеризующая вероятность конкретного процесса. Она может быть как больше геометрической площади (например, кулоновское взаимодействие), так и меньше неё (слабое взаимодействие).
Реальная мишень содержит не одно, а большое число ядер. В этом случае число N частиц, испытавших в единицу времени взаимодействие с ядрами и изменивших траекторию (рассеявшихся) или захваченных, при условии однократного взаимодействия каждой частицы (тонкая мишень) дается формулой

где σ _t – уже определённое нами эффективное сечение взаимодействия частицы с ядром; n₀ – число ядер мишени в единице объёма (в см^-3); S – облучаемая площадь мишени (в см²); d – толщина мишени (в см); M – полное число ядер в облучаемой части мишени.
Сечение обычно выражается в квадратных сантиметрах. В ядерной физике используют единицу 10^-24 см²= 1 барн.

Для количественного описания вероятности ядерной реакции используется эффективное сечение – дифференциальное (dσ /dΩ) и полное (). В случае двух частиц в начальном и конечном состояниях, реакция полностью характеризуется дифференциальным сечением. Величина эффективного сечения зависит от квантовых состояний сталкивающихся частиц (энергий, спинов, орбитальных и полных моментов, четностей, изоспинов).

В случае взаимодействия нейтронов с толстой мишенью необходимо учесть ослабление потока нейтронов внутри мишени.

Упругое рассеяние нейтронов.

В результате реакции упругого рассеяния ядро остается в прежнем состоянии, а нейтрон сохраняет свою первоначальную кинетическую энергию в системе центра инерции (в л. с. к. сохраняется суммарная кинетическая энергия нейтрона и ядра). Можно выделить потенциальное и резонансное рассеяние. Сечение потенциального рассеяния слабо зависит от энергии нейтрона.

Упругое рассеяние нейтронов очень широко используется для регистрации быстрых нейтронов методом наблюдения следов ядер отдачи (чаще всего протонов отдачи) в различных трековых приборах (камера Вильсона, ядерная фотоэмульсия, пузырьковая камера и др.), а также для регистрации ядер отдачи ионизационными методами (ионизационные камеры, счетчики).