Взаємодія нейтронів з речовиною

Властивості нейтронів різних енергій. Проходячи крізь речовину, нейтрони викликають різні ядерні реакції і пружно розсіюються на ядрах. Інтенсивністю цих мікроскопічних процесів, в кінцевому рахунку, визначаються всі макроскопічні властивості проходження нейтронів через речовина, такі, як уповільнення, дифузія, поглинання і т. Д. Так як нейтрон має нульовий електричний заряд, він практично не взаємодіє з електронами атомних оболонок. Тому атомні характеристики середовища не грають ніякої ролі в поширенні нейтронів в речовині. Це чисто ядерний процес.
Перетину різних нейтрон-ядерних реакцій залежать від енергії нейтронів, сильно і нерегулярно змінюються від ядра до ядра при зміні A або Z. перетину взаємодії нейтронів з ядрами в середньому ростуть по закону "1 / v" при зменшенні енергії нейтрона. За цій властивості нейтрони поділяються на дві великі групи - повільних і швидких нейтронів. Кордон між цими групами не є строго визначеною. Вона лежить в області 1000 еВ.
Нейтрони класифікують по енергії.

Повільні. енергія <1 эВ, Резонансные. 1 эВ ÷ 10 кэВ, Промежуточные. 10 кэВ ÷ 1 МэВ, Быстрые. 1 МэВ ÷ 100 МэВ, Релятивистские.> 100 МеВ.

У свою чергу повільні нейтрони прийнято поділяти на теплові та холодні.
Теплові нейтрони знаходяться в тепловій рівновазі з атомами середовища. Їх середні енергії - соті частки електронвольт. Часто в якості характерної енергії теплового нейтрона вказують величину 0.025 еВ, отриману зі співвідношення

де k - постійна Больцмана, для абсолютної температури, відповідної енергії теплових нейтронів, виходить значення Т = 300 0. тобто кімнатна температура. Таким чином, енергія Етепл відповідає найбільш вірогідною швидкості нейтронів, що знаходяться в тепловій рівновазі з середовищем при кімнатній температурі.
Зауважимо, що швидкість повільних нейтронів дуже відносна. Навіть нейтрон з енергією
0.025 еВ має швидкість 2 км / сек.
Холодними називають нейтрони з енергіями нижче 0.025 еВ:

Ехол <0.025 эВ.

У холодних нейтронів дуже сильно проявляються хвильові властивості, тому що довжина хвилі холодного нейтрона набагато більше міжатомної відстаней.
Нейтрони з енергіями від ≈ 1 еВ до 10 кеВ називають резонансними. тому що в цій області для середніх і важких ядер повне нейтронне перетин великий і його залежність від енергії являє собою густий частокіл резонансів.
Нейтрони з енергіями від 10 кеВ до 1 МеВ називають проміжними. Часто в проміжні включають і резонансні нейтрони. У цій області енергій окремі резонанси зливаються (винятком є легкі ядра) і перетину в середньому падають з ростом енергії.
До швидким відносять нейтрони з енергіями від 1 до 100 МеВ.
Нейтрони з енергіями вище 100 МеВ відносять до релятивістським.

У таблиці 5 наведені області енергій і порядки величин перетинів різних ядерних реакцій під дією нейтронів.

Дифузія нейтронів. Уповільнені до теплових енергій нейтрони дифундують, поширюючись в речовині на всі боки від джерела. Цей процес наближено описується звичайним рівнянням дифузії з обов'язковим урахуванням поглинання, яке для теплових нейтронів завжди велике. Основною характеристикою середовища, що описує процес дифузії, є довжина дифузії L, що визначається співвідношенням

де - середньоквадратичне відстань, на яке йде тепловий нейтрон в речовині від місця народження до поглинання. Довжина дифузії має приблизно той же порядок, що і довжина уповільнення τ 1/2. Обидві ці величини визначають відстань від джерела, на якому буде помітна кількість теплових нейтронів.
У табл. 6 наведені величини τ і L для найбільш уживаних сповільнювачів. З цієї таблиці видно, що у звичайної води τ 1/2> L, що вказує на сильне поглинання. У важкої води, навпаки, τ 1/2 >> L. Тому вона є найкращим сповільнювачем.

Величина L залежить не тільки від власне дифузії, але і від поглинаючих властивостей середовища. Тому L в повному обсязі характеризує процес дифузії. Додатковою незалежної характеристикою дифузії є середній час д життя диффундирующего нейтрона.

Альбедо нейтронів. Цікавою властивістю нейтронів є їх здатність відбиватися від різних речовин. Це відображення не когерентне, а дифузне. Його механізм такий. Нейтрон, потрапляючи в середу, відчуває безладні зіткнення з ядрами і після ряду зіткнень може вилетіти назад. Імовірність такого вильоту носить назву альбедо нейтронів для даного середовища. Очевидно, що альбедо тим вище, чим більше перетин розсіювання і чим менше перетин поглинання нейтронів ядрами середовища. Хороші відбивачі відображають до 90% потрапляють в них нейтронів, тобто мають альбедо до 0.9. зокрема, для звичайної води альбедо дорівнює 0.8. Тому не дивно, що відбивачі нейтронів широко застосовуються в ядерних реакторах і інших нейтронних установках. Можливість відображення нейтронів пояснюється наступним чином. Увійшовши в відбивач нейтрон при кожному зіткненні з ядром може розсіятися в будь-яку сторону. Якщо нейтрон у поверхні розсіявся назад, то він вилітає назад, тобто віддзеркалюється. Якщо ж нейтрон розсіявся в іншому напрямку, то він може розсіятися так, що піде з середовища при наступних зіткненнях. Цей же процес призводить до того, що концентрація нейтронів різко знижується поблизу кордону середовища, в якій вони народжуються, тому що ймовірність для нейтрона піти назовні велика.