Методичні вказівки до лабораторних робіт з радіаційної фізики (частина 2)

 

Теоретичні відомості

 

Нейтрон є елементарна частинка, яка не має електричного заряду, масу в 1 а.о.м., спіновий момент імпульсу 1/2 (в одиницях  ), магнітний момент – 1,91   (  – ядерний магнетон; . У вільному вигляді нейтрон нестабільний і має період піврозпаду 12 хв.

                                                       ,                                                 (1)

де р – символ протона (заряд 1, маса 1 а.о.м.),   – символ електрона,   – антинейтріно. Нейтрон являється складовою частинкою ядра і в ядрі він може існувати дуже довгий час. перетворення виду (1) є причиною бета-нестабільності ядер.

В природі існує значна кількість нейтронів. Вони утворюються внаслідок взаємодії первинної компоненти космічного випромінювання з атмосферою, внаслідок спонтанного розпаду ядер урану і торію, які знаходяться в земній корі, а також розмноження нейтронів при поділі ядер урану шляхом поглинання нейтрона і в результаті деяких інших ядерних реакцій. Згідно з літературними даними нейтронна компонента фонового випромінювання обумовлює помітну частину річної еквівалентної дози опромінення людини (0,021мЗв/рік). У великих кількостях нейтрони утворюються в ядерному реакторі при поділі ядер   або  .

Нейтрон не має електричного заряду, тому при входженні зовнішнього нейтрона в ядро не виникає кулонівського бар’єру. Зовнішні нейтрони легко захоплюються ядрами, при цьому виникають ядерні реакції. Ймовірність взаємодії нейтрона з ядром характеризується величиною, яка називається ефективним перерізом взаємодії. Ця величина має розмірність площі і її прийнято вимірювати в барнах (1 барн=10-24 см2). Практика показує, що ефективний переріз взаємодії нейтрона з ядром   залежить від енергії нейтрона. Енергія нейтронів може змінюватись в дуже широких межах від теплових енергій Е=кТ (0,025 еВ при Т=300 К) до сотень МеВ.

Для залежності ефективного перерізу реакцій нейтронів характерні резонанси, тобто такі значення енергії, при якому ефективний переріз особливо великий (мал.1).

При енергіях нейтронів, близьких до теплових (0,025 еВ), залежність ефективного перерізу реакцій багатьох ядер від швидкості підкоряється так званому закону 1/V, тобто ефективний переріз пропорціо-нальний 1/V. При високих енергіях нейтронів в області, де відсутні резонанси, ефективний переріз зменшується при збільшенні енергій нейтронів.

Реакції взаємодії нейтро-нів з ядрами можуть бути або екзоенергетичними, або ендоенергетичними. При екзоенергетичних реакціях кінетична енергія частинок після реакції більша, ніж до реакції, при ендоенергетичних – навпаки. Найбільш універсальною екзоенергетичною реакцією є реакція радіаційного захоплення (n,  ) коли ядро захоплює нейтрон і випромінює гама-фотон

                                                   .                                              (2)

Енергія зв’язку нейтрона з ядром є величина порядку питомої енергії зв’язку (декілька МеВ). Тому ядро, яке утворюється, знаходиться в збудженому стані. Переходячи в основний стан, воно випромінює один або кілька гама-фотонів.

Наприклад:

                                                                                   (3)

                                              .                                     (4)

Радіаційне захоплення іде на всіх ядрах (крім  ). Переріз реакцій для теплових нейтронів особливо великий і може змінюватись від 0,1 до 103 барн ( ).

Ядра, які утворились в результаті радіаційного захоплення, виявляються бета-активними і часто при розпаді випромінюють гама-фотони. По наведеній активності можна судити про природу ядра і кількість ядер у зразку. На цьому базується нейтронно-активаційний аналіз малої кількості речовини. Кількість радіоактивних ядер, що утворюються в результаті активації нейтронами, пропорційна кількості ядер, що активуються, і потоку нейтронів. Найбільший потік нейтронів можна створити в ядерному реакторі. При активації в ядерному реакторі шляхом активаційного аналізу можна встановити наявність речовини масою від   до  г.

За допомогою нейтронно-активаційного аналізу було встановлено, що Наполеон був отруєний миш’яком. Для цього було використано пару волосин з голови Наполеона. Ці волосини були опромінені в реакторі і виявилось, що наведена активність характерна для наявності стабільного ізотопа миш’яку 75. Реакція активації

                                                 .                                                  (5)

Утворене ядро бета-активне (період піврозпаду 27 годин) і при