Взаимодействие нейтронов с веществом. и 52. Неупругое и упругое рассеяние нейтронов, радиационный захват нейтронов.

При облучении нейтроны легко проникают сквозь электрон­ные оболочки атомов и взаимодействуют с ядрами. В зависимо­сти от энергии Е_п нейтроны подразделяют на несколько групп. Основные из них — тепловые (0, 01 < эВ< Eн< 0, 5 эВ), проме­жуточные (1 эВ< Ен< 0, 1 МэВ) и быстрые (Ен> 0, 1 МэВ). Ней­троны, энергетический диапазон которых пересекается с тепло­вым и промежуточным, называют надтепловыми (0, 3 — п • 10² эВ). Все нейтроны с Ен< 1 кэВ относят к медленным. Вы­деляя главные особенности процесса переноса нейтронов, его можно свести к последовательности: замедление — диффузия — захват. Замедление происходит в результате неупругого, а затем упругого рассеяния. Захват наиболее вероятен для нейтронов, достигших тепловых энергий.

Неупругое рассеяние нейтронов — ядерная реакция, в ре­зультате которой ядро-мишень оказывается в возбужденном со­стоянии. За время 10-¹⁴ с оно переходит в основное состояние, испуская каскад гамма-квантов, называемых гамма -излучением неупру­гого рассеяния (ГИНР). Поскольку часть энергии нейтрона рас­ходуется на возбуждение ядра, кинетическая энергия системы после взаимодействия меньше, чем до него. Этот вид рассея­ния называют неупругим. Спектр ГИНР характерен для кон­кретного элемента и используется для его идентификации.

Неупругое рассеяние — пороговая реакция. При снижении массовых чисел ее порог растет от десятков килоэлектронвольт для тяжелых ядер до нескольких мегаэлектронвольт для лег­ких. В горных породах после нескольких актов рассеяния энер­гия нейтрона оказывается ниже порогового значения, и микро­скопическое сечение неупругого рассеяния σ _in резко падает.

Упругое рассеяние нейтронов — ядерная реакция, при кото­рой внутренняя энергия ядра не меняется и сумма кинетической энергии системы до и после соударения сохраняется. Микроско­пическое сечение σ _el упругого рассеяния для большинства эле­ментов в тепловом и промежуточном диапазонах почти посто­янно, а в диапазоне существования быстрых нейтронов испыты­вает резонансные колебания. Исключение составляют ядра атомов водорода — протоны, для которых сечение σ _еlн — моно­тонно убывающая функция Е_п. Для промежуточных и медлен­ных нейтронов σ _elн выходит на постоянное значение 20, 3 X 10^-28 м², что в 5—10 раз больше, чем у других элементов с А< 40. В области тепловых энергий σ _еlн нарастает до (60— 80) • 10-²⁸ м².

Замедление продолжается до теплового равновесия нейтро­нов со средой, т. е. до тех пор, пока их энергия не станет в сред­нем соизмеримой с энергией теплового движения атомов и мо­лекул. Именно поэтому такие нейтроны называют тепловыми. Их энергетический спектр близок к максвелловскому со сред­ней энергией Е_{п СР} = 0, 025 эВ (при 7 = 300 °К), т. е. практически постоянен.

Поглощение нейтронов — ядерная реакция, заключающаяся в захвате нейтрона, возбуждении ядра и последующем пере­ходе его в основное состояние с испусканием протонов — реак­ция (n, р) α -частиц (n, α), нейтронов (n, 2n) или γ -квантов.

Первые три реакции отличаются высокими порогами, в связи с чем их сечения малы почти для всех элементов. Исключения составляют ¹⁰В, ⁶Li, ³Не, обладающие высокими сечениями по­глощения, в связи с чем их используют в детекторах нейтронов.

Практический интерес представляет реакция (я, у), которую по типу вторичного излучения называют радиационным захва­том. Ее микроскопическое сечение σ _с~1/v, где v — скорость нейтронов. Поэтому она вероятна в основном для низкоэнерге­тических (тепловых) нейтронов.

При радиационном захвате ядро переходит в основное со­стояние, испуская каскад у-квантов, называемый у -излучением радиационного захвата (ТИРЗ). Его спектр для конкретного элемента характерен и может использоваться для его иденти­фикации. Поскольку сечение σ _с реакции (n, γ) падает с ростом энергии, то при Е_п> 1 эВ основную роль играет конкурирую­щий процесс — упругое рассеяние (σ _с< σ _el). Для тепловых нейтронов σ _c> σ _el и наиболее вероятен радиационный захват.