Нейтронный захват
Нейтро́нный захва́т — вид ядерной реакции, в которой ядро атома соединяется с нейтроном и образует более тяжёлое ядро:
- (A, Z) + n → (A+1, Z) + γ.
Нейтрон может приблизиться к ядру даже при околонулевой кинетической энергии, так как является электрически нейтральным, в отличие от положительно заряженного протона, который может быть захвачен лишь при достаточно большой энергии, позволяющей преодолеть электростатическое отталкивание.
Физика
Процесс взаимодействия ядра с нейтроном носит вероятностный характер и может происходить по трем основным схемам:
- Упругое рассеяние, при котором ядро сохраняет целостность. Нейтрон и ядро изменяют свою кинетическую энергию в соответствии с законами механики.
- Неупругое рассеяние, при которой ядро разваливается под ударом нейтрона.
- Ядерная реакция, при которой ядро поглощает нейтрон (нейтронный захват).
Каждому из возможных сценариев соответствует своя вероятность, характеризуемая сечением взаимодействия. Сечения зависят от состава ядра и кинетической энергии нейтрона.
В результате реакции захвата нейтрона образуется более тяжёлый изотоп того же химического элемента, как правило, в возбуждённом состоянии. Возбужденные состояния, энергия возбуждения которых меньше энергии связи частицы или группы частиц в данном ядре, называются связанными. В этом случае возбуждение может сниматься лишь излучением одного или нескольких гамма-квантов. Состояния с энергией возбуждения, превышающей энергию связи частиц, называются квазистационарными. В этом случае ядро может испустить частицу или гамма-квант. У тяжёлых ядер возможно деление. Вероятность деления после захвата нейтрона часто рассматривают отдельно от вероятности захвата, говоря о сечении деления.
Образовавшийся в результате нейтронного захвата изотоп может быть как стабильным, так и нестабильным (радиоактивным). Активация материалов в результате нейтронного облучения (в частности, в ядерных реакторах) является значимым источником радиоактивных отходов.
Сечение захвата
Типичные сечения захвата теплового нейтрона ядрами составляют порядка 1 барна (близко к геометрическому поперечному сечению ядра), однако для некоторых нуклидов наблюдаются отклонения на несколько порядков в сторону как увеличения, так и уменьшения сечения захвата. Сечения захвата быстрых нейтронов значительно меньше; с ростом энергии сечение уменьшается обратно пропорционально скорости нейтрона.
Сечение захвата известных веществ для нейтронов низких энергий (т. н. «тепловых» нейтронов)
Сечение захвата для бора-10 (верхний график) в зависимости от энергии нейтрона. Благодаря очень большому сечению захвата для нейтронов низких энергий бор-10 широко используется для управления цепной реакцией в ядерных реакторах на тепловых нейтронах.
Сечение деления
Способность тяжелых ядер к захвату нейтрона с последующим распадом (делением) является краеугольным камнем ядерных технологий.
Сечение деления известных веществ для тепловых нейтронов
Применение
- В аналитической химии захват нейтронов используется в нейтронно-активационном анализе: исследуемое вещество облучается нейтронами, после чего анализируется характер излучений образовавшихся радиоактивных изотопов. Спектр и вид наведенных ионизирующих излучений позволят оценить состав вещества до облучения.
- В полупроводниковой промышленности получило распространение нейтронное легирование кремния, основанное на трансмутации кремния в легирующую добавку.
- В медицине нейтрон-захватная терапия — метод радиотерапии рака.
- В ядерных реакторах для управления цепной реакцией используются вещества с большим сечением деления.
- В ядерном оружии захват нейтронов окружающей средой и соответствующая активация веществ является значимым поражающим фактором.
Нуклеосинтез
Первичный нуклеосинтез
В течение первых нескольких минут после Большого взрыва все нейтроны, образовавшиеся в результате бариогенезиса, были либо захвачены протонами (с образованием дейтронов), либо распались. Измерения первичной распространённости лёгких элементов (дейтерия, гелия, лития) позволяют исследовать этот период ранней Вселенной.
Звёздный нуклеосинтез
Нейтронный захват очень важен для процесса нуклеосинтеза элементов тяжелее железа. Выделяют 2 вида захватов: быстрый r-процесс (проходящий при высокой плотности нейтронов, когда бета-радиоактивные ядра — продукты захвата не успевают распасться до момента следующего захвата нейтрона) и медленный s-процесс (в этом случае скорость захватов меньше скорости бета-распада).
Ссылки
- Нейтронный захват в Астронет