Захват нейтрона - это ядерная реакция, в которой атомное ядро и один или несколько нейтронов сталкиваются и сливаются, образуя более тяжелое ядро. [1] Поскольку нейтроны не имеют электрического заряда, они могут проникнуть в ядро легче, чем положительно заряженные протоны , которые отталкиваются электростатически . [1]
Захват нейтронов играет важную роль в космическом нуклеосинтезе тяжелых элементов. В звездах он может протекать двумя путями: как быстрый процесс ( r-процесс ) или как медленный процесс ( s-процесс ). [1] Ядра масс , превосходящие 56 не могут быть сформированы с помощью термоядерной реакции (то есть, с помощью ядерного синтеза ) , но могут быть образованы путем нейтронного захвата. [1] При захвате нейтронов протонами получается линия с энергией 2,223 МэВ, предсказываемая [2] и обычно наблюдаемая [3] в солнечных вспышках .
Захват нейтронов при малом потоке нейтронов
При небольшом потоке нейтронов , как в ядерном реакторе , отдельный нейтрон захватывается ядром. Например, когда природное золото ( 197 Au) облучается нейтронами (n), изотоп 198 Au образуется в высоковозбужденном состоянии и быстро распадается до основного состояния 198 Au за счет испускания гамма-лучей (γ). При этом массовое число увеличивается на единицу. Это записывается в виде формулы в виде 197 Au + n → 198 Au + γ, или в сокращенном виде 197 Au (n, γ) 198 Au. Если используются тепловые нейтроны , процесс называется тепловым захватом.
Изотоп 198 Au является бета-излучателем, который распадается на изотоп ртути 198 Hg. В этом процессе атомный номер увеличивается на единицу.
Захват нейтронов при высоком нейтронном потоке
Г-процесс происходит внутри звезд , если плотность потока нейтронов настолько высока , что атомное ядро не успевает к распаду с помощью бета - излучения между захватами нейтронов. Таким образом, массовое число возрастает на большую величину, в то время как атомный номер (т.е. элемент) остается прежним. Когда дальнейший захват нейтронов становится невозможным, очень нестабильные ядра распадаются через множество β - распадов до β-стабильных изотопов элементов с более высокими номерами.
Поперечное сечение захвата
Сечение поглощения нейтронов изотопа химического элемента - это эффективная площадь поперечного сечения, которую атом этого изотопа представляет для поглощения, и является мерой вероятности захвата нейтрона. Обычно его измеряют в амбарах .
Сечение поглощения часто сильно зависит от энергии нейтронов . В общем, вероятность поглощения пропорциональна времени нахождения нейтрона вблизи ядра. Время, проведенное в непосредственной близости от ядра, обратно пропорционально относительной скорости между нейтроном и ядром. Другие, более конкретные вопросы изменяют этот общий принцип. Двумя наиболее точными измерениями являются сечение поглощения тепловых нейтронов и резонансный интеграл, который учитывает вклад пиков поглощения при определенных энергиях нейтронов, специфичных для конкретного нуклида , обычно выше теплового диапазона, но встречающихся, когда замедление нейтронов замедляет нейтрон. из оригинальной высокой энергии.
Также имеет значение тепловая энергия ядра; при повышении температуры доплеровское уширение увеличивает вероятность обнаружения резонансного пика. В частности, повышение способности урана-238 поглощать нейтроны при более высоких температурах (и делать это без деления) является механизмом отрицательной обратной связи , который помогает держать ядерные реакторы под контролем.
Термохимическое значение
Нейтронный захват участвует в образовании изотопов химических элементов. Таким образом, энергия нейтронного захвата вмешивается [ необходимо пояснение ] в стандартную энтальпию образования изотопов.
Использует
Нейтронно-активационный анализ можно использовать для дистанционного определения химического состава материалов. Это связано с тем, что при поглощении нейтронов разные элементы испускают разное характеристическое излучение. Это делает его полезным во многих областях, связанных с разведкой полезных ископаемых и безопасностью.
Поглотители нейтронов
В технике наиболее важным поглотителем нейтронов является 10 B , используемый в качестве карбида бора в управляющих стержнях ядерных реакторов или в качестве борной кислоты в качестве добавки к охлаждающей воде в реакторах с водой под давлением . Другими поглотителями нейтронов, используемыми в ядерных реакторах, являются ксенон , кадмий , гафний , гадолиний , кобальт , самарий , титан , диспрозий , эрбий , европий , молибден и иттербий . [4] Все они встречаются в природе как смеси различных изотопов, некоторые из которых являются отличными поглотителями нейтронов. Они могут возникнуть в соединениях , такие как молибден борид, гафний диборид , диборид титана , диспрозий титанат и гадолиний титанат .
Гафний сильно поглощает нейтроны, и его можно использовать в управляющих стержнях реактора . Однако он находится в тех же рудах, что и цирконий , который имеет ту же конфигурацию внешней электронной оболочки и, следовательно, имеет аналогичные химические свойства. Их ядерные свойства совершенно разные: гафний поглощает нейтроны в 600 раз лучше, чем цирконий. Последний, будучи по существу прозрачным для нейтронов, ценится для внутренних частей реактора, включая металлическую оболочку топливных стержней . Чтобы использовать эти элементы в их соответствующих приложениях, цирконий должен быть отделен от встречающегося в природе гафния. Этого можно добиться с помощью ионообменных смол . [5]
Смотрите также
- Бета-распад
- Индуцированная радиоактивность
- Список частиц
- Эмиссия нейтронов
- Радиоактивный распад
- Лучи: α - β - γ - δ - ε
- р-процесс (захват протона)
Рекомендации
- ^ а б в г Ахмад, Ишфак ; Ганс Мес; Жак Эбер (1966). «Успехи теоретической физики: резонанс в ядре» . Институт физики . 3 (3): 556–600.
- ^ Моррисон, П. (1958). «О гамма-астрономии». Il Nuovo Cimento . 7 (6): 858–865. Bibcode : 1958NCim .... 7..858M . DOI : 10.1007 / BF02745590 .
- ^ Chupp, E .; и другие. (1973). «Солнечное гамма-излучение и нейтронные наблюдения». Специальная публикация НАСА . 342 : 285. Bibcode : 1973NASSP.342..285C .
- ^ Быстрый анализ активации гамма-нейтронов . Международное агентство по атомной энергии
- ^ Д. Франклин; РБ Адамсон (1 января 1984 г.). Цирконий в атомной промышленности: Шестой международный симпозиум . ASTM International. С. 26–. ISBN 978-0-8031-0270-5. Проверено 7 октября 2012 года .
Внешние ссылки
- XSPlot онлайн-плоттер нейтронных сечений
- Данные о захвате тепловых нейтронов
- Сечения тепловых нейтронов в Международном агентстве по атомной энергии