- •Глава 1.Строение и основные характеристики атомных ядер
- •§1.1. Протонно-нейтронная структура ядра.
- •§1.2. Электрический заряд ядра
- •§1.4. Энергетические характеристики ядра
- •§1.5. Размер ядра
- •§1.6. Спин, магнитный и электрический моменты ядер
- •1. Спин ядра
- •2. Магнитный момент ядра
- •3. Электрический момент ядра
- •§1.7.Возбужденные состояния ядер
- •§1.8.Четность
- •§1.9. Ядерные силы
- •§1.10.Изотопический спин
- •§1.11.Статистика
- •Глава 2. Модели атомных ядер §2.1.Необходимость и классификация моделей
- •§2.2.Капельная модель
- •§2.3.Оболочечная модель
- •Глава 3. Радиоактивные превращения ядер §3.I. Определение, виды радиоактивности, радиоактивные семейства
- •§3.2.Основные законы радиоактивного распада
- •§3.3.Активация
- •§3.4. Альфа –распад
- •§3.5.Бета –распад
- •§3.6.Гамма–излучение ядер
- •Глава 4. Ядерные реакции §4.1.Основные понятия иклассификация
- •§4.2.Механизм ядерных реакций
- •§4.3.Сечения ядерных реакций
- •§4.4.Законы сохранения в ядерных реакциях
- •§4.5.Кинематика ядерных реакций. Импульсная диаграмма
- •§ 4.6.Реакции под действием заряженных частиц
- •1. Общие свойства
- •2. Реакции под действием α-частиц
- •3. Реакции под действием протонов
- •4. Реакции под действием дейтонов
- •§4.7.Термоядерный синтез
- •§4.8.Фотоядерные реакции
- •§4.9. Реакции под действием нейтронов
- •1. Основные свойства нейтронов
- •2. Источники нейтронов
- •3. Энергетические группы
- •4. Взаимодействие нейтронов с ядрами
- •5. Резонансные процессы
- •Глава 5. Деление ядер §5.1. Открытие и капельная модель
- •§5.2. Основные свойства вынужденного деления
3. Энергетические группы
Двигаясь в средах, нейтроны проявляют удивительное многообразие свойств. Нейтроны эффективно взаимодействуют с ядрами от самых малых достижимых энергий Tn ~ 10-7эВ. Нейтроны могут вступать с ядрами в различные ядерные реакции и поглощаться или испытывать на ядрах упругое или неупругое рассеяние, участвуя в диффузионном движении.Вероятности этих процессов определяется кинетической энергией нейтронов, и поэтому оказывается целесообразным разделение их по принадлежности к энергиям на определенные энергетические области или группы, для которых характерны определенные виды ядерных взаимодействий.
По величине кинетической энергии Tnнейтроны разделяются на две большие группы –медленные(0 < Tn ≤ 1000 эВ) ибыстрые(Tn > 100 кэВ). Замыкают эти две области энергий т.н.промежуточные нейтроны. В свою очередь, область медленных нейтронов подразделяется нахолодные,тепловыеирезонансныенейтроны. Следует, однако, иметь в виду, что любая градация свойств нейтрона по энергии условна. Ниже дается одна из возможных схем подобной классификации.
холодныеТn < 0,025эВ,
тепловые Тn= 0,025 0,5эВ,
резонансныеТn= 0,5 эВ 1кэВ.
ПромежуточныеТn = 1 100кэВ.
Быстрые Тn= 100 кэВ 14МэВ.
При взаимодействии с веществом у холодных нейтронов отчетливо проявляются волновые свойства. Например, де-бройлевская длина волны нейтрона
|
(4.9.13) |
становится сравнимой с размером атома (~ 10-8см) при энергии нейтронаТn≤ 0,002эВ. Нейтронные волны в веществе могут испытывать дифракцию, преломление, отражение (даже полное), могут поляризоваться. В отличие от рентгеновских лучей, которые испытывают рассеяние на электронах, нейтроны рассеиваются на ядрах. Поэтому дифракция холодных нейтронов дает информацию не об электронной, а непосредственно о ядерной, т.е. атомно-молекулярной структуре вещества. Дифракция холодных нейтронов позволяет производить кристаллографические исследования сплавов и соединений с близкими атомными номерами, когда рентгенографические исследования оказываются бессильными. Сечение захвата нейтронов ядрами при уменьшении энергии нейтронов сильно возрастает в соответствии с законом «1/vn», где vn -скорость нейтронов, и в этой энергетической области может иметь громадное значение.
Получение холодных нейтронов сложный и дорогостоящий технический процесс и по этой причине они не используются в ядерной энергетике.
Энергия Тn = 0,025эВопределяет область тепловых нейтронов, которая соответствует комнатной температуреТ = 290Ки скорости нейтронов vn = 2200м/с. Эти величины часто используются в качестве стандартных для тепловых нейтронов. Энергия тепловых нейтронов определяетсятепловым равновесиемсо средой. Поэтому тепловые нейтроны имеют большой разброс по энергиям, а заметная доля нейтронов имеет энергию больше стандартной, равнойkT. Температура в ядерном реакторе значительно превышает комнатную и поэтому к тепловым нейтронам относят обычно нейтроны с энергиями до ~0,5эВ. Сечения реакций нейтронов с ядрами, в том числе и приводящие к делению, в этой области также достаточно велики.
Получение тепловых нейтронов в огромных количествах является хорошо освоенным процессом, и тепловые нейтроны находят широкое применение в ядерной энергетике.
Нейтроны с энергиейТn= 0,5 эВ 1кэВназываются резонансными потому, что в этой области для средних и тяжелых ядер сечения нейтронных реакций имеют обычно много тесно расположенных резонансов. В качестве примера на рис. 4.9.1 показана зависимость сечения деления 235U от энергии нейтронов.
В промежуточной области энергий нейтронов отдельные резонансы сливаются (исключением являются легкие ядра) и сечения в среднем падают с ростом энергии нейтронов.
Быстрые нейтроны имеют огромное прикладное значение, так как в большинстве реакций, используемых для получения свободных нейтронов, кинетическая энергия образующихся нейтронов Тn> 100 кэВ. В ядерной энергетике при делении ядер рождаются быстрые нейтроны со средней энергией~ 2МэВ, которые используются для последующего деления ядер непосредственно, или после замедления.
Сечение взаимодействия быстрых нейтроновсядрами существенно меньше, чем у тепловых или резонансных нейтронов. Полное сечение (сумма сечений всех возможных процессов) в быстрой области, где R -радиус ядра, а- де-бройлевская длина волны нейтрона (4.9.13). Главная особенность быстрой области состоит в том, что вероятность образования составного ядра в ней мала и полное сечение примерно равно сечению рассеянияs, которое равно сумме сечений упругого σelи неупругого рассеяния σnel:
|
(4.9.14) |
При энергии нейтронов Тn > 8МэВсечение рассеяния на тяжелых ядрах снижается из-за конкуренции реакций (n,2n) и (n, f).
Быстрые нейтроны с энергией Тn> 10 МэВимеют де-бройлевскую длину волныпорядка размеров ядра и нейтронная волна может испытыватьдифракционное рассеяние на ядрах, а вероятность рассеяния нейтронов от угла рассеяния имеет ярко выраженнуюкартину дифракции с главным максимумом при = 0°и побочными при порядка нескольких десятков градусов.
Быстрые нейтроны после их рождения при делении ядер могут быть использованы в ядерном оружии или в реакторах на быстрых нейтронах.