Основи радіаційної фізики, дозиметрії і радіометрії

де   виражена в МеВ, а   – в см.

Крім описаної вище взаємодії важких заряджених частинок з електронами речовини можлива взаємодія цих частинок і з ядрами, хоч імовірність такої взаємодії порівняно мала. Взаємодія з ядрами може бути електричною і привести до пружного розсіювання важких заряджених частинок. При такому розсіюванні зміна імпульсу і енергії частинки можуть бути великими, що приведе до відхилення частинок на великі кути. Взаємодія важких заряджених частинок може бути зумовлена і ядерними силами, що приведе до різного виду ядерних реакцій.

 

 

Нейтрони не мають електричного заряду. Тому вони не можуть взаємодіяти з електронами речовини. Вони можуть взаємодіяти лише з ядрами і сили, які при цьому виникають, є силами ядерної взаємодії. Характер взаємодії залежить від енергії нейтронів.

За енергією нейтрони діляться на три великих групи: повільні, швидкі і проміжні нейтрони. Повільні нейтрони мають енергію, меншу 1 кеВ, швидкі більшу 100 кеВ (до 14 МеВ). Енергія проміжних нейтронів знаходиться в межах від 1 кеВ до 100 кеВ.

Повільні нейтрони прийнято ділити на холодні, теплові і резонансні. Холодними називаються нейтрони з енергіями, нижчими 0,025еВ. У холодних нейтронів дуже великий ефективний переріз захоплення ядрами. В області енергій повільних нейтронів діє закон “1/υ” згідно з яким ефективний переріз захоплення нейтрона ядром обернено пропорційний швидкості. У них сильно проявляються хвильові властивості, тому що довжина хвилі холодного нейтрона набагато більша міжатомних віддалей.

Енергія   визначає порядок енергій теплових нейтронів. В температурній шкалі   наведеній вище енергії відповідає температура Т=300К. Таким чином, енергія   відповідає найбільш імовірній швидкості нейтронів, що знаходяться в рівновазі з середовищем при кімнатній температурі. В ядерних енергетичних установках температура може значно перевищувати кімнатну. Крім того, нейтрони, що знаходяться в тепловій рівновазі з середовищем, мають розподіл за енергіями. Тому до теплових відносяться нейтрони з енергіями примірно до 0,5 еВ. Ефективні перерізи поглинання теплових нейтронів ядрами достатньо великі. Отримання цих нейтронів у великих кількостях є добре освоєним процесом. Тому теплові нейтрони широко використовуються в ядерній техніці.

Нейтрони з енергіями від 0,5еВ до 1 кеВ називаються резонансними, тому що в цій області для середніх і важких ядер повний ефективний нейтронний переріз в його залежності від енергії являє собою ряд гострих резонансів.

В області енергій проміжних нейтронів (від 1 до 100 кеВ) окремі резонанси зливаються  (деяким виключенням являються легкі ядра) і перерізи в основному зменшуються зі збільшенням енергій.

Перерізи взаємодії швидких нейтронів (енергії від 100 кеВ до 14 МеВ) набагато менші, ніж повільних і проміжних нейтронів. Прикладне значення швидких нейтронів обумовлене тим, що основним технічним джерелом нейтронів являються реакції, при яких відбувається народження нейтронів мегаелектронних енергій.

Основними механізмами взаємодії нейтронів з атомами речовини є пружне і непружне розсіювання та ядерні реакції. При пружному розсіюванні кінетична енергія частинок до розсіювання дорівнює кінетичній енергії після розсіювання, не змінюється і склад частинок. Для пружного розсіювання справедлива формула (41), якщо під m розуміти масу нейтрона, а під М - масу розсіюючого ядра. Аналіз формули (41) показує, що максимальна передача кінетичної енергії від нейтрона до ядра буде при М=m, тобто для звичайного водню. Пружне розсіювання застосовується для сповільнення нейтронів в ядерному реакторі. Нейтрони, які утворились при поділі ядра 235U, мають значну енергію і погано поглинаються наступними ядрами 235U. Якщо нейтрони сповільнити, то вони добре поглинаються ядрами 235U і викликають їх поділ.

Як випливає з попереднього , при сповільненні нейтронів звичайним воднем в результаті пружного удару нейтрони ефективно втрачають енергію. Але звичайний водень, як сповільнювач, має негативну властивість – частину нейтронів він поглинає. Тяжкий водень  , або дейтерій, має майже такий же відбір енергії при пружному ударі, але нейтронів не поглинає. Тому дейтерій є найкращим сповільнювачем нейтронів. Для сповільнення нейтронів використовують і інші більш важкі елементи, які слабо поглинають нейтрони (наприклад,  ). При зіткненні нейтрона з ядром   передається невелика частина енергії нейтрона (із-за значної маси ядра), але нейтрони можуть бути сповільнені шляхом багатократних зіткнень.

При непружному розсіюванні частинка кінетичної енергії перетворюється у їх внутрішню енергію. Енергія ядер квантується, тому непружна взаємодія при зіткненні нейтрона з ядром можлива лише тоді, коли енергія нейтрона не менша енергії збудження, тобто цей прцес є пороговим. Найменша енергія збудження ядер є величина порядку декількох десятків кеВ і в самих поширених випадках є величина порядку сотень кеВ або одиниць МеВ. Непружне розсіювання також застосовується для сповільнення нейтронів. Передача значної енергії від нейтрона до ядра можлива згідно з законом збереження енергії, якщо ядро має збуджені стани з порівняно великою енергією. Переріз непружного розсіювання швидких нейтронів за порядком величини складає декілька десятих або сотих барна.

Для нейтронів характерний ряд ядерних реакцій. Під ядерною реакцією розуміють процес, який починається із зіткнення мікрочастинок з ядром і в результаті якого утворюється також мікрочастинка і ядро. Схему такої реакції можна записати у вигляді

 ,