Ядерные реакции под действием нейтронов

Классификация нейтронов по энергии
Холодные
Тепловые 0.025эВ , Тн=кТ=8.6 ⋅10-6 эВ/К ×300К=0.025эВ, v≈2км/с
Медленные ~1кэВ
Быстрые ~100 кэВ -10 МэВ

Особенности
Отсутствие кулоновского барьера
Взаимодействие возможно при самых малых энергиях, Епорог~kT
- Упругое и неупругое рассеяние (n,n), (n,n’),
Захват нейтронов ядрами (n,p), (n,α)
Радиационный захват (n,γ)
Деление (n,f)

В магнитный спектрометр ПАМЕЛА для изучения античастиц в космических лучах включает в себя гелиевый детектор нейтронов.
Предназначен для разделения позитронов и протонов

Источники нейтронов
Парафин
Ra-Be
Po-Be полониево-берилливый
B(α,n)N
F(α,n)Na
dN/dE
~107 нейтронов в секунду на 1 г Ra

Нейтронный генератор

Взаимодействие нейтронов

Упругое рассеяние нейтронов

Импульсная диаграмма

Диффузия нейтронов
A- влет
B
C - поглощение

Пример: упругое рассеяние (n,n)

Экзотермические (n,α), (n,p), (n,γ)

Радиационный захват (n,γ)

Радиационный захват Cd(n,γ)

Пример. Сечение Cd
Рис 208

β

Перерыв

Деление ядер (n,f)
Отто Ган и Лиза Мейтнер в лаборатории. 1913 год
mmons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16234085

А.И.Болоздыня

Открытие деления
В опытах обнаружено образование Ва.
« Как химики мы уверены , что получен именно Ва, хотя как физики совершенно не можем этого объяснить» . О.Г. и Ф.Ш.
Лиза Мейтнер и Отто Фриш предложили объяснение на основе капельной модели с возбуждением колебаний ядра нейтронами и последующим делениеми энерговыделением ~200МэВ. Предсказано выделение криптона
ZBa+ZKr=56+36=92
Криптон найден О.Г. и Ф.Ш. в 1939г. Они же обнаружили вторичные нейтроны.
Отто Фриш в 1939г. регистрировал осколки деления с энергией до 200 МэВ.
Ферми регистрировал β, детектор был закрыт экраном для поглощения α-частиц. Экран задерживал и осколки деления.
Ида Ноддак 1934г. критиковала выводы Ферми и предположила наличие осколков деления. В 1939 заявила о своем приоритете.
Теория деления на основе капельной модели создана в 1939г. Н.Бором, Дж. Уиллером и Я.Френкелем (СССР)

Деление ядер в капельной модели
Если сфера радиуса R деформируется, а U возрастает, то сфера устойчива
U это сумма поверхностного натяжения и эл.-стат. энергии кулоновского отталкивания

Схематическое изображение деления ядер
Поглощение ядром нейтрона
Переход в деформированное возбужденное состояние.
Рост кулоновой энергии, падение поверхностной энергии
Переход через “седловую точку”
Разрыв перетяжки. Фрагменты переходят в сферическое состояние, увеличивая энергию возбуждения, которая снимается испусканием нейтронов
n

Рис 228, Мухин
Wf – барьер деления
Qf - энергия деления

Отталкивание
притяжение
Мухин. Рис 230

Отталкивание
притяжение
Tn
En

Н.Бор и Уиллер 1939г. вывели правило:
Реакция (n,f) при четном числе N вызывается тепловыми n
при нечетном числе N - быстрыми n.
Т.к. переход от А (чет) к А+1 (нечет) дает выигрыш по энергии связи нейтронов 1-2 МэВ
Пример. Изотопы урана 235 и 238
У них энергия связи En=7 и En=5 МэВ, соответственно.
Высота барьера деления для 238U Wf= 6МэВ
Тепловые нейтроны вызывают распад 233U, 235U, 239Pu имеют четное Z и нечетное N (ядерное горючее)

Осколки деления
Капельная модель не может объяснить асимметрию осколков.
С ростом энергии возбуждения асимметрия уменьшается.
Осколки деления имеют избыток нейтронов. Переход к стабильным ядрам идет через β-распад
A1
A2
Выход осколков деления
Ферми, 1951

Мгновенные нейтроны
Спектр мгновенных нейтронов имеет максимум около 1МэВ
Возникают в момент деления

Запаздывающие нейтроны
Br от деления урана.
Криптон избавляется от лишнего нейтрона через β−распад, или, в возбужденном состоянии , через испускание нейтрона.
Нейтрон вылетает из осколка через 56 секунд после деления. Такие нейтроны называются запаздывающими. Их доля 0.75% , 99.25% - мгновенные нейтроны

Энергетический баланс
При делении 235U тепловыми нейтронами освобождается энергия порядка 200 МэВ.
Кинетическая энергия осколков ~167 МэВ
мгновенные нейтроны деления ~5 МэВ
Мгновенные гамма-кванты ~7 МэВ
Гамма-кванты продуктов деления ~6 МэВ
β−частицы ~5 МэВ
Антинейтрино ~10 МэВ

Спонтанное деление