Захват нейтронов

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 легче проникают в ядро, чем положительно заряженные протоны , которые отталкиваются электростатически . ^[1]

Захват нейтронов играет значительную роль в космическом нуклеосинтезе тяжелых элементов. У звезд он может протекать двумя путями: как быстрый процесс ( г-процесс ) или как медленный процесс ( s-процесс ). ^[1] Ядра с массой более 56 не могут образовываться в результате экзотермических термоядерных реакций (т. е. путем ядерного синтеза ), но могут образовываться путем захвата нейтронов. ^[1]Захват нейтронов на протонах дает предсказанную линию с энергией 2,223 МэВ. ^[2] и обычно наблюдается ^[3] в солнечных вспышках .

Захват нейтронов при малом потоке нейтронов

При малом потоке нейтронов , как в ядерном реакторе , ядром захватывается одиночный нейтрон. Например, когда природное золото ( ¹⁹⁷Au) облучается нейтронами (n), изотоп ¹⁹⁸Au образуется в высоковозбужденном состоянии и быстро распадается до основного состояния. ¹⁹⁸Au испусканием гамма-лучей (𝛾). При этом массовое число увеличивается на единицу. Это записывается формулой в виде $197 В + н \to 198 Au + γ$ , или в краткой форме $197 Au(n,γ) 198 Ау$ . Если используются тепловые нейтроны , этот процесс называется тепловым захватом.

Изотоп ¹⁹⁸Au — бета-излучатель , распадающийся на изотоп ртути. ¹⁹⁸рт. ст. В этом процессе атомный номер увеличивается на единицу.

Захват нейтронов при высоком потоке нейтронов

R -процесс происходит внутри звезд, если плотность потока нейтронов настолько высока, что атомное ядро не успевает распасться за счет бета-излучения между захватами нейтронов. Таким образом, массовое число значительно возрастает, в то время как атомный номер (т. е. элемента) остается прежним. Когда дальнейший захват нейтронов больше невозможен, крайне нестабильные ядра распадаются через множество β ⁻ распадается на бета-стабильные изотопы элементов с более высокими номерами.

Захватить поперечное сечение

Сечение поглощения нейтронов изотопа химического элемента представляет собой эффективную 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, в течение которого нейтрон находится вблизи ядра. Время, проведенное вблизи ядра, обратно пропорционально относительной скорости между нейтроном и ядром. Другие, более конкретные проблемы изменяют этот общий принцип. Двумя наиболее конкретными показателями являются сечение поглощения тепловых нейтронов и резонансный интеграл, который учитывает вклад пиков поглощения при определенных энергиях нейтронов, характерных для конкретного нуклида , обычно выше теплового диапазона, но встречающихся, когда замедление нейтронов замедляет нейтрон. от исходной высокой энергии.

Тепловая энергия ядра также имеет влияние; по мере повышения температуры доплеровское уширение увеличивает вероятность обнаружения резонансного пика. В частности, увеличение 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

Захват нейтронов участвует в образовании изотопов химических элементов. Таким образом, энергия захвата нейтрона вмешивается ^{[ нужны разъяснения ]} в стандартной энтальпии образования изотопов.

Использование

Нейтронно-активационный анализ можно использовать для дистанционного определения химического состава материалов. Это связано с тем, что разные элементы испускают различное характерное излучение при поглощении нейтронов. Это делает его полезным во многих областях, связанных с разведкой полезных ископаемых и безопасностью.

Поглотители нейтронов

Нейтронное сечение бора (верхняя кривая — для ¹⁰B и нижняя кривая для ¹¹Б)

В технике важнейшим поглотителем нейтронов является ¹⁰B , используется в качестве карбида бора ядерными реакторами в стержнях управления 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 в виде смесей различных изотопов, некоторые из которых являются отличными поглотителями нейтронов. Они могут встречаться в таких соединениях, как борид молибдена, диборид гафния , диборид титана , титанат диспрозия и титанат гадолиния .

Гафний хорошо поглощает нейтроны и может использоваться в стержнях управления реакторами . Однако он встречается в тех же рудах, что и цирконий , который имеет ту же конфигурацию внешней электронной оболочки и, следовательно, имеет схожие химические свойства. Их ядерные свойства совершенно различны: 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 соответствующих целях, цирконий необходимо отделить от встречающегося в природе гафния. Этого можно экономично достичь с помощью ионообменных смол . ^[5]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ахмад, Ишфак ; Ханс Мес; Жак Эбер (1966). «Прогресс теоретической физики: Резонанс в ядре» . Институт физики . 3 (3): 556–600.
^ Моррисон, П. (1958). «О гамма-астрономии». Иль Нуово Чименто . 7 (6): 858–865. Бибкод : 1958NCim....7..858M . дои : 10.1007/BF02745590 . S2CID 121118803 .
^ Чупп, Э.; и др. (1973). «Солнечные гамма-лучи и нейтронные наблюдения». Специальное издание НАСА . 342 : 285. Бибкод : 1973NASSP.342..285C .
^ Оперативный анализ активации гамма-нейтронов . Международное агентство по атомной энергии
^ Д. Франклин; Р.Б. Адамсон (1 января 1984 г.). Цирконий в атомной промышленности: Шестой международный симпозиум . АСТМ Интернешнл. стр. 26–. ISBN 978-0-8031-0270-5 . Проверено 7 октября 2012 г.

Внешние ссылки

XSPlot — онлайн-построитель нейтронных сечений
Данные захвата тепловых нейтронов
Сечения тепловых нейтронов в Международном агентстве по атомной энергии

[University_of_Ottawa_(Department_of_Physics)-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ахмад, Ишфак ; Ханс Мес; Жак Эбер (1966). «Прогресс теоретической физики: Резонанс в ядре» . Институт физики . 3 (3): 556–600.

[2] Моррисон, П. (1958). «О гамма-астрономии». Иль Нуово Чименто . 7 (6): 858–865. Бибкод : 1958NCim....7..858M . дои : 10.1007/BF02745590 . S2CID 121118803 .

[3] Чупп, Э.; и др. (1973). «Солнечные гамма-лучи и нейтронные наблюдения». Специальное издание НАСА . 342 : 285. Бибкод : 1973NASSP.342..285C .

[4] Оперативный анализ активации гамма-нейтронов . Международное агентство по атомной энергии

[5] Д. Франклин; Р.Б. Адамсон (1 января 1984 г.). Цирконий в атомной промышленности: Шестой международный симпозиум . АСТМ Интернешнл. стр. 26–. ISBN 978-0-8031-0270-5 . Проверено 7 октября 2012 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]