Главная >  Атомное ядро и ядерные превращения 

1 2 3 4 5 6 [ 7 ] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70

Пояснение: £ =

с2 ~

Ото С*

{от.с )

14. Чему равняется энергня комптоновского электрона при рассеянии под углом 45° фотона с энергией 0,8 Мэв?

Ответ; 0,256 Мэв.

15. Под каким углом произошло рассеяние фотона, если его энергия уменьшилась от 1,5 до 0,65 Мэв?

Ответ: 56°.

16. Гамма-лучи с эиергнен фотонов 1.2 Мэв попадают в воздушную камеру через свинцовую стенку. Какое число пар ионов образуют фотоэлектрон, вырванный из поверхностного атома (Я,- =88 000 эв), и комптоновскнй электрон, полученный при рассеянии под углом 180°?

О т в е т: 33 700 и 30 ООО.

Глава 3

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С ВЕЩЕСТВОМ § I. ИСТОЧНИКИ НЕЙТРОНОВ

Как уже указывалось в гл. 2, при взаимодействии а-частиц со многими ядрами происходит реакция (а, п), в результате которой возникают свободные нейтроны. Наибольшее значение для получения нейтронов с помош,ью а-частиц имеет реакция Be {а, п) О. Эта реакция происходит в нейтронных источниках, представляющих собой, как правило, закрытую ампулу, содержащую а-радиоактивное вещество (Ra, MsTh, Ро и т. п.) и бериллий. Интенсивность таких источников сравнительно невелика, но они обладают небольшими размерами, не требуют большой защиты и удобны для переноски, что расширяет возможности их применения. Источник в 1 г Ra + Be испускает в секунду 10 нейтронов. Более интенсивными источниками нейтронов служат

мишени, облучаемые пучками заряженных частиц, ускоренных в шециальном ускорителе. Чаще всего для получения нейтронов в ускорителях применяются дейтроны, падающие на литиевую м;ишень. При этом происходит реакция LF (d, п) 2Не*. Эта реакция экзоэнергетическая с большим энергетическим эффектом, вследствие чего возникающие нейтроны обладают, как правило, большой энергией. Наиболее интенсивным источником нейтронов являются ядерные реакторы. В современных ядерных реакторах плотность потока нейтронов составляет 10- Ю** нейтроновIсм сек, а в отдельных исследовательских реакторах достигает еще больших значений. При атомных взрывах в течение короткого времени, длящегося меньше миллионной доли секунды, освобождается примерно 10-10 нейтронов. В источниках с радиоактивным веществом иногда используется не а-излучение, а у-излучение. Такие источники нейтронов, называемые фотонейтронными, в которых используется реакция (у, п), обладают значительно меньшей интенсивностью, чем источники, в которых используется реакция (а, п).Эти источники, как правило, применяются, когда требуется небольшая интенсивность монохроматических нейтронов. В фотонейтронных источниках в качестве облучаемого вещества используются Be и Н, с которыми реакция (у, п) имеет соответственно энергетические пороги 1,67 и 2,23 Мэв. Принципиально реакция (у, п) возможна на всех ядрах, за исключением Н, однако во всех остальных случаях энергетический порог реакции достигает 5 Мэв и выше.

§ 2. ОСЛАБЛЕНИЕ ПУЧКА НЕЙТРОНОВ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ЧЕРЕЗ ВЕЩЕСТВО. ЭФФЕКТИВНОЕ ПОПЕРЕЧНОЕ СЕЧЕНИЕ

Нейтроны, проходя через вещество, практически не взаимодействуют с электронной оболочкой атомов, так как они не обладают электрическим зарядом. Взаимодействие, обусловленное наличием у нейтрона магнитного мо.мента, ничтожно. Нейтроны поглощаются либо рассеиваются при столкновении с ядрами. Как поглощение, так и рассеяние приводит к ослаблению нейтронного луча (узкого параллельного пучка нейтронов). Обозначим через ц долю нейтронов, устраненных из пучка на пути, равном единице длины. Повторяя рассуждения, приведенные в § 14 гл. 2, лолучим для интенсивности потока нейтронов формулу

yV = AV~, (54)

где и N - соответственно начальная интенсивность и интенсивность после прохождения слоя толщиной х. Очевидно, что величина [i, называемая коэффициентом ослабления, зависит от числа ядер в единице объема и от свойств этих ядер. Для установления этой зависимости представим себе, что пучок нейтро-



нов падает на Какой-либо экран КК площадью S (рис. 17) Вырежем на глубине х тонкий слой экрана толщиной dx. Число нейтронов, падающих на этот тонкий слой, является функцией х Объем ЭТОГО слоя равен Sdx и число атомов в нем Sdx, где --число атомов в единице объема. Если поперечное сечение одного ядра обозначить через о, то общая площадь сечения всех ядер в слое равна aNaSdx. На правой части рис. 17 изображен

0 @

Рис. 17. Ослабление п),кг иейтроиоа и поперечное сечение

слой толщиной dx в проекции, перпендикулярной к направлению пучка. На единицу площади падает- нейтронов, следовательно,

на площадь сечения всех ядер падает aNtSdx~=NaadxN. Нейт-

роны, задевающие в своем полете какое-либо ядро, устраняются из пучка. Таким образом, diV - изменение числа нейтронов в потоке после прохождения слоя dx - равно - NaNa dx.

= -<jN,dx

\nN = -oN,x + \nNo.

(55)

(54a) (56)

Устанавливая зависимость между коэффициентом ослабления и поперечным сечением, мы исходили из упрощенного представления о том, что вероятность взаимодействия определяется лишь геометрическим поперечным сечением ядра. На самом деле, вероятность взаимодействия зависит не только от геометрического поперечного сечения, но и от ряда других факторов, из которых одним из наиболее важных является энергия бомбардирующей частицы, в данном случае нейтрона. Таким образом, величина а,

определяемая из формулы (56), не совпадает с геометрическим поперечным сечением, а является величиной, характеризующей вероятность взаимодействия, и называется эффективным поперечным сечением. Эффективное поперечное сечение ядер по отношению к нейтронам зависит от их скорости и, как правило, уменьшается с повышением скорости. Однако у значительного большинства ядер эффективное поперечное сечение при некоторых значениях энергии, характерных для каждого вида ядер, имеет заметно большие значения (рис. 18). Такие эффективные поперечные сечения называются резонансными.


Рис. 18. Резонансное взаимодействие

Единицами измерения поперечных сечений могут служить единицы измерения площадей - квадратные сантиметры. Диаметры ядер имеют величину порядка Ш см, а геометрические поперечные сечения -порядка {О * см. Получила распространение единица измерения поперечных сечений, называемая барн. 1 барн =

= 10

СМ -

Введя обозначение / = -

(54а) так:

N = Л/об

МОЖНО переписать формулу

(546)

Величина /, имеющая размерность длины, представляет собой толщину экрана, ослабляющего пучок нейтронов в е раз. Эта величина называется длиной свободного пробега нейтрона, а величина Ласг, имеющая размерность обратной длины и являющаяся, по сути, коэффициентом ослабления, называется макроскопическим сечением; она представляет собой суммарное эффективное поперечное сечение всех ядер, находящихся в eдиниJ це объема.-Если вещество является соединением или однородной смесью различных атомов, то макроскопическое поперечное сече-



ние равно сумме макроскопических сечений отдельных компонентов. Поскольку, как правило, сг уменьшается с энергией нейтронов, / увеличивается с энергией нейтронов.

Если нейтроны испускаются точечным источником в сплошной среде, то при отсутствии взаимодействия число первичных нейтронов, которое проходило бы через единицу поверхности на расстоянии г от источника, равнялось бы , где Q - число нейтронов, испускаемых источником. Следовательно, при наличии взаимодействия число нейтронов, проходящих через единицу площади поверхности на расстоянии г от источника, будет равно

4т: г2

Как уже было сказано, взаимодействие нейтронов с ядрами может привести к их рассеянию или поглощению. Рассеяние может быть упругим и неупругим, результатом поглощения нейтрона может быть испускание фотона или какой-либо другой частицы, скажем протона или а-частицы или нескольких частиц. Каждый из этих частных процессов характеризуется некоторой вероятностью, являющейся известной долей вероятности взаимодействия нейтрона с ядром. Сумма вероятностей таких частных процессов должна равняться полной вероятности взаимодействия.

Эффективное поперечное сечение взаимодействия нейтрона с ядром, характеризующее вероятность взаимодействия, можно разбить на слагаемые, пропорциональные вероятностям отдельных частных процессов:

ff -- ffj -г -! ... (57)

Каждое такое слагаемое представляет собой эффективное поперечное сечение ядра по отношению к какому-либо чacтнoм, процессу. В этом смысле можно говорить об эффективных поперечных сечениях рассеяния, реакции (гг, у), (п, р), (п, а) и т. д. Соответственно это.му можно ввести понятия макроскопических эффективных сечений по отношению к частным процессам Na з, Л/а 2 и Л/а и т. д., а такжс длин пробегов по отношению к

1 1 J

отдельным процессам

И Т. д.

§ 3. УПРУГИЕ И НЕУПРУГИЕ СТОЛКНОВЕНИЯ

При столкновениях с ядрами нейтроны передают им часть своей энергии. Если кинетическая энергия системы сталкивающихся частиц не меняется, то такое столкновение называется упругим, а если кинетическая энергия не сохраняется, то такое

столкновение называется неупругим. В последнем случае при рассеянии часть кинетической энергии тратится на возбуждение ядра.

Доля энергии, передаваемая нейтроном при одном упругом соударении [см. формулу (27) на стр. 25], равна

4/1sin2-

-- , (58)

Е (А -f 1)2

где 9 - угол рассеяния в системе центра масс обеих частиц. При рассеянии на угол 180°, т. е. при лобовом столкновении,

/ Д £ \ 4А

(А -f 1)2

(59)

При достаточно больших А Д£ \

/ макс Л + 1

При усреднении по всем углам рассеяния потеря энергии на одно упругое столкновение

\ Е }~ (A + \f Доля энергии, остающейся у нейтрона, равна

4Лз!п2

\ - AJL

J-2A cos 9

{А + 1)

(.4 + 1)

(60)

При рассеянии на 180° потеря энергии максимальна, а остающаяся доля энергии равна

£, \ (А -

(Л + 1)

(61)

В частности, при лобовом столкновении с ядром водорода нейтрон отдает всю свою энергию.

При неупругом рассеянии часть энергии тратится на возбуждение ядра. Из возбужденного состояния ядро через непродолжительное время переходит в основное состояние, испуская у-квант. Энергия, теряемая нейтроном при одном неупругом столкновении, не может быть меньшей, чем энергия первого возбужденного состояния ядра, которая, как правило, не меньше сотен килоэлектронвольт, а для легких ядер достигает миллионов электронвольт. При энергиях нейтронов меньших, чем энергня возбуждения, неупругое рассеяние становится невозможным. Вероятность процессов упругого и неупругого рассеяния, как и вероятность других ядерных процессов, определяется соответствующими эффектив-4 Защита от раиоактииних и-злучений



1 2 3 4 5 6 [ 7 ] 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70