Радиационная безопасность. 2006г.

Лекция 3.

Вопросы:

1. Взаимодействие нейтронов с веществом.

   1. Основное и возбужденное состояние атомного ядра

   2. Упругое рассеяние нейтронов на ядрах атомов мишени

   3. Неупругое рассеяние нейтронов

   4. Ядерные реакции (n,γ), (n,p), (n,α), (n, 2n).

   5. Реакции деления (n, f).

      1. Энергия отделения нейтрона

      2. Капельная модель ядра и формула Вайцзеккера

      3. Эффект спаривания нуклонов

      4. Деление атомных ядер и оболочечная модель структуры ядра

      5. Механизм деления атомного ядра

   6. Сечения рассеяния и поглощения тепловых нейтронов на ядрах некоторых биологически важных элементов

1. . Основное и возбуждённое состояние атомного ядра.

Атомное ядро – система с фиксированной полной энергией. Состояния таких систем – стационарные. Состояние с наибольшей энергией связи – основное. Но это же состояние характеризуется наименьшей полной энергией. Все остальные состояния с большей полной энергией – возбуждённые. Диаграмма ядерных уровней энергии строится так:

Нижнему по энергии (наибольшему по энергии связи –W) состоянию приписывается нулевой индекс и энергияE₀=0:

, гдеW₀– энергия связи ядра в основном состоянии.

Энергии E_i(i=1, 2,…) остальных состояний определяются как, т.е. отсчитываются от основного состояния. Это – энергии возбуждения. Нижние уровни энергии ядра дискретны. При ядерных превращениях и распадах происходят переходы между различными стационарными состояниями ядер.

2. . Упругое рассеяние нейтронов на ядрах атомов мишени.

Для элементов с низким атомным номером первый возбуждённый уровень ядра обычно на 1МэВ выше основного состояния. Поэтому в случае лёгких элементов упругое рассеяние нейтронов с En< 1МэВ более вероятно, чем неупругое рассеяние.

Схема упругого рассеяния нейтрона на ядре массы М:

- импульс ядра отдачи,

- импульс рассеянного нейтрона,

- импульс падающего нейтрона,

и- углы определяющие направление движения рассеянного нейтрона и ядра отдачи.

Рис. 5.Упругое рассеяние нейтрона на тяжёлом ядре.

Из законов сохранения энергии и импульса можно получить выражения для модуля импульса и энергии ядра отдачи:

(и,mиMмасса нейтрона и ядра отдачи)

П

Рис. 6.Зависимость длины пробега нейтрона в биологической ткани от его энергии.

ри рассеянии нейтрона на протоне (m_n≈m_p) энергия протона отдачи равнаE_p=E_ncos²θ. В таких столкновениях протоны получают большой импульс, т.е. возникают сильно ионизирующие протоны отдачи. Максимальный перенос энергии нейтрона уменьшается с ростом массы ядра отдачи. При рассеянии на ядрахC,O,N(входящих в состав биологических тканей) нейтроны теряют 10-15% своей энергии в упругих соударениях и от 85% до 95% энергии взаимодействующих нейтронов переносится к ядрам водорода. Несмотря на небольшой пробег протонов в биологических тканях, их образование происходит на различной ( в том числе и достаточно большой) глубине, т.к. пробег незаряженных нейтронов относительно велик (рис. 6).

3. . Неупругое рассеяние (n, n’).

С увеличением атомного номера мишени минимальная энергия возбуждения ядра уменьшается ~ до 0,1 МэВ, и нейтроны с большей энергией могут испытывать как упругое, так и неупругое рассеяние, причём вероятность последнего увеличивается с ростом E_n. В реакциях (n,n’) быстрые нейтроны сначала соединяются с ядром мишени, образуя составное ядро, затем этим ядром испускается нейтрон с меньшей энергией, а само ядро-мишень остаётся в возбужденном состоянии. Обычно это возбуждение очень быстро снимается испусканием-квантов. В зависимости от энергии испущенного в этом процессе нейтрона, в дальнейшем будет наблюдаться его упругое или неупругое рассеяние.