Взаимодействие нейтронов с веществом. Потери энергии быстрыми нейтронами. Сечение упругого взаимодействия нейтронов с ядрами

Лекция 17

Взаимодействие нейтронов с веществом

Основным видом взаимодействия нейтронов с веществом является их взаимодействие с атомными ядрами. Электромагнитное взаимодействие нейтрона с электронами определяется величиной взаимодействия между их магнитными моментами. Но оно настолько мало, что его энергия достигает потенциала ионизации (~ 10 эВ) лишь на расстоянии 10^{-11 см. То есть сечение ионизационного торможения ~ 10-22} см². Это в 10⁶ раз меньше, чем для заряженной частицы (~ 10¹⁶ см²). Кроме того, нейтрон теряет при таком взаимодействии лишь незначительную часть своей энергии ~ 10 эВ, тогда как при упругом взаимодействии с ядрами нейтрон может потерять значительную часть своей энергии и даже всю энергию (десятки и сотни МэВ), как это имеет место, например, в детекторах нейтронов на протонах отдачи (кристаллах стильбена).

1.  Потери энергии быстрыми нейтронами

При столкновении с ядрами вещества нейтрон передает им часть своей энергии. Наиболее вероятными являются упругие столкновения (и, соответственно, упругие потери).

Заметьте: для заряженных частиц были:

- ядерные (упругие) потери (аналогия - бильярдные шары);

- неупругие (ионизационные) потери на возбуждение, ионизацию.

Для нейтронов ионизационных потерь нет (мы показали, что они пренебрежимо малы). Есть только ядерные (причем преобладают упругие) потери. Роль ядерных реакций мала.

Если предположить, что нейтрон рассеивается изотропно (равновероятно по всем направлениям), то различные значения энергии будут равновероятны (как это было для жестких сред). Для упругих столкновений мы получили:

,                                                                                                                   (17.1)

.                                                                                                                   (17.2)

В зависимости от угла рассеяния передаваемая энергия будет меняться от 0 до Е_max≡ . Максимальная энергия наблюдается при лобовом соударении, когда φ = π:

,                                                                                                                   (17.3)

,                                                                                                                   (17.4)

,                                                                                                                   (17.5)

где М₁ – масса атома; М₂ – масса нейтрона;  – атомная масса атомов мишени.

,                                                                                                                   (17.6)

 (А >> 1).                                                                                                                   (17.7)

Рис. 18.1.

В реакторе ₁ ≈ 2 МэВ, следовательно  МэВ. Если мишень из нержавеющей стали (Fe, Cr, Ni):  и  ≈ 0,066 МэВ ≈ 66 кэВ. Следовательно, в каждом столкновении теряется энергия несколько десятков кэВ (~ 3 % энергии нейтрона).

Если поглощающей средой является водород, то

 (Λ = 1).

При лобовом соударении передается вся энергия. Поэтому вода является хорошим поглотителем быстрых нейтронов.

Приведенные результаты верны для изотропного рассеяния. В действительности нейтроны с энергией ~ 1 МэВ рассеиваются чаще вперед. Поэтому средняя передаваемая энергия будет меньше рассчитанной:

 (f < 1).                                                                                                                   (17.8)

Таблица 17.1.

С учетом f,  будет не 66 кэВ, а ≈ 40 кэВ.

2.  Сечение упругого взаимодействия нейтронов с ядрами

Сечение определяет число столкновений.

Пусть ядро атома – сфера радиуса r, а нейтрон – налетающая точка. Тогда:

 [см²].

Это геометрическое поперечное сечение.

Найдем соотношение между геометрическим поперечным сечением σ и числом столкновений в единицу времени.

Пусть на пластину площадью S = 1 см² падает пучок нейтронов плотностью n [нейтрон/см²] со скоростью v(см. рис. 2). Пластина имеет плотность N₀ [ат./см³] и эта атомная плотность невелика.

Рис. 17.2.

N_n = n S v,                                                                                              (17.8)

N_a = N₀Sd.                                                                                            (17.8a)

Число столкновений в объеме пластинки: