Взаимодействие нейтронов с веществом

Совершенно иначе обстоят дела при взаимодействии с веществом нейтронов — элементарных частиц с массой покоя большей, чем у протона, но не обладающих электрическим зарядом. В небольших количествах они присутствуют в окружающей среде, где образуются в результате взаимодействия космических лучей с веществом атмосферы.

Несмотря на то, что прямое воздействие нейтронов на биоту незначительно, косвенное их значение огромно. Так, они инициируют, например, процессы деления при пуске ядерных реакторов. Поэтому мы дадим краткий обзор процессов их взаимодействия с веществом, в частности упомянем те процессы, которые наиболее существенны для реализации управляемой реакции деления тяжелых ядер.

Нейтроны были открыты как обладающие аномально большой проникающей способностью продукты ядерных реакций, протекающих под действием а-частиц. В то время для характеристики проникающей способности излучений использовали закон экспоненциального ослабления излучения (3.1). Линейный коэффициент ослабления нейтронов в свинце оказался равным 0,15 см-^[1], что значительно меньше значения р. ~ 0,45 см^-1 для у-квантов в свинце с энергией ?_min, равной.

3,4 МэВ. Примером ядерных реакций, приводящих к образованию нейтронов, является облучение бериллия а-частицами: ⁹Ве (а, п)¹²С. Дочернее ядро ¹²С является одним из наиболее плотноупакованных ядер (см. рис. 2.5), поэтому реакция идет с выделением теплоты.

В прикладных исследованиях наиболее широкое применение находят источники нейтронов со сплошным спектром. Реакция деления тяжелых элементов является наиболее известным источником таких нейтронов. При этом в среднем на один акт деления испускается —2,5 нейтрона со средней энергией —2 МэВ.

В лабораторных условиях для получения нейтронов с подобными энергетическими спектрами наиболее часто используют довольно компактные нейтронные источники, в которых протекают экзотермические ядерные реакции, например упомянутая выше реакция (а, п). Для этого берутся долгоживущие радионуклиды, испускающие а-частицы, и смешиваются с элементом, на изотопах которого с заметной вероятностью происходят ядерные реакции, сопровождающиеся испусканием нейтронов. Примером таких источников являются ²²⁶Ra + Be, ²¹⁰Ро + Be и ряд других. В первом случае 3—5 г металлического порошкообразного бериллия заливается раствором соли радия, содержащей 1 г радия. Достоинством таких источников является достаточно большой выход нейтронов—1,3−10⁷ нейтрон/с на 1 г Ra. Недостатком их является довольно большая интенсивность у-излучения. Полоний-бериллиевый источник отличается меньшим выходом нейтронов, однако у-излучения в этом случае почти нет. При использовании, например, а-частиц полония Е_а = 5,3 МэВ, испускаемые нейтроны будут иметь энергию 10,8 МэВ, если нейтрон вылетает в том же направлении, в котором двигалась а-частица, и 6,7 МэВ — в противоположном^[1]. Для получения достаточно монохроматических и (или) быстрых нейтронов используют ядерные реакции под действием ускоренных ионов. Эффективными «снарядами» для таких реакций являются протоны и дейтроны.

У нейтронов нет электрического заряда, поэтому они не могут так же эффективно терять энергию, как заряженные частицы, а поскольку их масса значительно больше массы электронов, следовательно, потерями энергии при их столкновениях с электронами можно пренебречь. Все это увеличивает их проникающую способность.

Столкновение нейтрона с ядром может привести или к отклонению направления его движения, сопровождающемуся некоторой потерей энергии, что эквивалентно соударению двух шаров с соизмеримыми массами, или к ядерной реакции — захвату нейтрона и образованию нового ядра, которое окажется в сильно возбужденном состоянии. В результате ядерной реакции может испуститься нейтрон с меньшей энергией (неупругое рассеяние), может вылететь заряженная частица, произойти деление ядра мишени или произойти радиационный захват, т. е. реакция (п, у);

Поскольку на пути к ядру для нейтронов не существует кулоновского барьера, вероятность их радиационного захвата, как правило, значительна. Изотопы некоторых элементов поглощают тепловые нейтроны особенно сильно, например изотопы бора и кадмия, и это широко используется для управления работой ядерных реакторов.

Характер взаимодействия нейтронов с ядрами существенно зависит от их массового числа. Поэтому все ядра разбивают на три группы, в пределах которых наблюдается некоторое сходство во взаимодействиях: легкие — А < 25, средние — 25 < А < 80 и тяжелые ядра — А > 80. В практическом отношении особенно существенна первая группа, для которой характерными являются упругие соударения¹. В результате столкновений быстрые нейтроны превращаются в нейтроны промежуточных энергий, а те, в свою очередь, в тепловые. При лобовом столкновении с атомом водорода вся кинетическая энергия нейтрона может передаться этому атому.

Помимо атомного состава поглощающей среды взаимодействие нейтронов с веществом сильно зависит от их энергии. Имеются различные классификации нейтронов по энергиям. Например, ультрахолодные нейтроны — это нейтроны с энергией менее 10^-7 эВ; холодные нейтроны — с энергией менее 5−10^-3 эВ; тепловые нейтроны^[3][4]— находящиеся в тепловом равновесии с атомами окружающей среды. Наиболее вероятная энергия таких нейтронов при комнатной температуре —0,025 эВ. Затем идут надтепловые и промежуточные нейтроны — с энергиями до 200 кэВ, быстрые нейтроны — нейтроны с энергиями от 200 кэВ до 20 МэВ и сверхбыстрые нейтроны с энергией более 20 МэВ. В радиоэкологии интерес представляют нейтроны с энергиями от тепловых до —2 МэВ.

Таким образом, под действием нейтронов в веществе возникают атомы со значительной кинетической энергией и (или) происходят ядерные превращения с испусканием заряженных частиц или у-квантов. Конечным результатом взаимодействий в любом случае являются заряженные частицы, взаимодействующие далее со средой так, как это было описано выше.

Свободный нейтрон может испытывать (3^_-распад с периодом —10,2 мин. и превращаться в протон. Однако для наблюдения такого явления нейтроны должны быть изолированы от окружающего вещества, т. е. находиться в вакууме. Дело в том, что среднее время жизни нейтрона в веществе до его захвата каким либо ядром в воздухе —1 • 10^-3 с и, следовательно, только приблизительно один нейтрон из миллиона может испытать радиоактивный распад. Поэтому можно считать, что в окружающей нас среде нейтрон исчезает в результате ядерной реакции, сопровождающейся появлением заряженной частицы или в результате радиационного захвата.

Какой тип излучения представляет наибольшую опасность для живых организмов? Все определяется тем, где находятся радионуклиды: внутри или вне организма. По проникающей способности нейтроны стоят на первом месте. Затем идет у-излучение. Когда мы говорим о защите от этих типов излучений, то необходимо помнить о двух обстоятельствах. Во-первых, под поглощением у-кванта понимается момент, при котором он выбил, например, фотоэлектрон или образовал пару. Иными словами, пробегом фотоэлектрона по сравнению с X обычно пренебрегают. Во-вторых, если мы возьмем слой поглотителя с толщиной, равной удвоенной длине среднего пробега заряженных частиц в веществе, то вероятностью прохождения через такой слой можно пренебречь. Для у-излучения или нейтронов принято говорить о кратности ослабления излучения. Во многих практически важных случаях здесь необходима кратность ослабления в 10⁶ и большее число раз.

• [1] Недостатком 210Ро + Be источников является их относительно малый периодполураспада — 138 суток. Поэтому вместо них часто используют 238Pu + Be источников (Г½ = 87,7 лет).
• [2] Недостатком 210Ро + Be источников является их относительно малый периодполураспада — 138 суток. Поэтому вместо них часто используют 238Pu + Be источников (Г½ = 87,7 лет).
• [3] Упругими соударениями в данной ситуации называются такие соударения, в результате которых не инициируются ядерные реакции.
• [4] Для тепловых нейтронов при температуре 290 К, Е = 0,025 эВ и их скорость равна2,2Т03 м-ст1. Поскольку скорость оказывается намного меньше скорости света, то этодало основание назвать подобные нейтроны медленными.