Лекция 12. Ядерные реакции на нейтронах

Основные типы реакций. Примеры.

Ядерные реакции на нейтронах многочисленны и разнообразны. Причиной этого является отсутствие потенциального барьера для нейтронов, в результате чего последние свободно проникают в любые ядра вплоть до самых тяжелых. Так как при этом каждый нейтрон приносит в ядро энергию, равную сумме его кинетической энергии и энергии связи, образующееся при захвате составное ядро (п. 11.5) оказывается сильно возбужденным и «разряжается», испытывая то или иное превращение.

Известно множество реакций следующих типов: (/?, у), (/?, р), (/?, а), (п, 2п) и др. Кроме перечисленных типов имеется еще один и притом наиболее важный: деление ядра (/г, /). Этот процесс ввиду его особого практического значения будет рассматриваться в отдельной лекции.

Простейшим примером реакции радиационного захвата (;/, у) может служить захват нейтрона ядром водорода с образованием дейтерия: y) D. Се чение этой реакции для ней фонов малых энергий — около 0,333 б,^[1] а ее энергия равна энергии связи дейтрона: 2,22 МэВ. Сечение захвата нейтрона дейтроном примерно на три порядка меньше. Однако некоторые ядра, напротив, имеют очень большие сечения захвата медленных нейтронов: порядка нескольких тысяч барн.

Реакции вида (я, р) в случае медленных нейтронов, как правило, нс идут вследствие тог о, что протону для выхода из составного ядра необходимо иметь энергию, равную сумме энергии его связи с ядром и энергии, необходимой для преодоления кулоновского потенциального барьера. Имеются два важных исключения среди легких элементов — это реакции ^l4N (/?,/?)^l4C и ³⁵С1(и,/?)³⁵S. Обе реакции ведут к образованию Ррадиоактивных нуклидов, так как в обоих случаях при сохранении массового числа в стабильных изобарах один протон заменяется нейтроном. Продукты той и другой реакции имеют практическое значение: они применяются в химии и биологии в качестве радиоактивных меченых атомов при изучении механизмов химических и биохимических процессов.

При достаточно большой энергии нейтронов реакции (и, р) более вероятны. Реакция нейтронов космического происхождения с ядрами ¹⁴N в верхних слоях атмосферы является источником природного радиоуглерода (п. 6.4).

Реакции (я, а), как и реакции (я, р), на медленных нейтронах могут идти только с участием легких ядер, так как кулоновский потенциальный барьер для вылета а-частицы в два раза выше, чем для протона. Важным с точки зрения практики примером реакции (я, а) на медленных нейтронах является ^|0В (я, a) Li. Эта реакция имеет большое сечение: для нейтронов с энергией 0,025 эВ о ~ 3800 б. Вследствие большой величины Q (3,6 МэВ) а-частица испускается с энергией 2,3 МэВ и поэтому легко обнаруживается детекторами заряженных частиц. Таким образом, данная реакция используется для детектирования медленных нейтронов.

При достаточно большой энергии нейтронов запас энергии, остающийся у составного ядра после вылета одного нейтрона, иногда оказывается достаточным для вылета второго. В таком случае реакция может завершиться испусканием двух, трех, и т. д. нейтронов. Нетрудно установить, что все процессы такого типа — эндотермические. Пороговая энергия для реакции ⁹Ве (и, 2я)⁸Ве равна 1,8 МэВ, а для реакции ⁵⁶Fe (/i, 2/?)^5!,Fe — уже около 11,5 МэВ; она растет с увеличением удельной энергии связи. Реакции (/?, 2л), (я, Зл) и т. д. получили название реакций испарения нейтронов, по аналогии с испарением молекул с поверхности капли жидкости при ее нагревании. В ходе реакций испарения нейтронов происходит их размножение: взамен одного поглощенного испускается два (три, четыре…). Распределение этих нейтронов по энергиям напоминает распределение Максвелла-Больцмана для молекул газа, что еще больше усиливает аналогию между составным ядром и каплей жидкости.

• [1] Для нейтронов с энергией, по порядку величины равной энергии теплового движения атомов и молекул при нормальных условиях (0.025 эВ). Нейтроны с такой энергией называют тепловыми.