Диффузное отражение нейтронов

Интересным свойством нейтронов является их способность отражаться от различных веществ. Это отражение не когерентное, а диффузное. Его механизм таков. Нейтрон, попадая в среду, испытывает беспорядочные столкновения с ядрами и после ряда столкновений может вылететь обратно. Вероятность такого вылета носит название альбедо нейтронов данной среды. Очевидно, что альбедо тем выше, чем больше сечение рассеяния и чем меньше сечение поглощения нейтронов ядрами среды. Хорошие отражатели отражают до 90% попадающих в них нейтронов, т. е. имеют альбедо до 0,9. В частности, для обычной воды альбедо равно 0,8. Неудивительно поэтому, что отражатели нейтронов широко применяются в ядерных реакторах и других нейтронных установках. Возможность столь интенсивного отражения нейтронов объясняется следующим образом. Вошедший в отражатель нейтрон при каждом столкновении с ядром может рассеяться в любую сторону. Если нейтрон у поверхности рассеялся назад, то он вылетает обратно, т. е. отражается. Если же нейтрон рассеялся в другом направлении, то он может рассеяться так, что уйдет из среды при последующих столкновениях.

Этот же процесс приводит к тому, что концентрация нейтронов резко снижается вблизи границы среды, в которой они рождаются, так как вероятность для нейтрона уйти наружу велика.

 

Нейтронные волны в средах

 

Согласно квантовомеханическим представлениям нейтрон, как и любая другая частица, обладает волновыми свойствами. Эти волновые свойства будут влиять на процесс распространения нейтронов только в том случае, если дебройлевская длина волны λ по порядку величина равна или превышает межатомные расстояния, т. е. λ ³ см. При λ= см энергия нейтрона равна 0,08 эВ, так что волновые свойства отчетливо сказываются у тепловых нейтронов и еще более сильно у холодных и ультрахолодных. Влияние волновых свойств проявляется в том, что рассеянные разными ядрами нейтронные волны могут интерферировать друг с другом. В результате получается, в общем довольно сложная картина углового и энергетического распределения рассеянных нейтронов, существенно отличная от соответствующего распределения при рассеянии нейтронов на изолированных атомах.

Длина волн холодных нейтронов ненамного превышают межатомные расстояния. Поэтому распространение волн тепловых и холодных нейтронов в веществе более похоже на прохождение жестких рентгеновских волн, чем на распространение видимого света.

Особенности нейтронных волн делают их уникальным средством исследования ряда важнейших характеристик твердого тела. Особенности связаны со следующими фактами:

1) нейтроны в основном взаимодействуют с ядрами;

2) нейтрон имеет большую массу покоя, в то время как масса покоя фотонаравна нулю.

Интенсивность отражения нейтронов, конечно, определяется тем, насколько интенсивно рассеиваются нейтроны отдельными ядрами, т. е. сечением  упругого рассеяния нейтрона ядром. Согласно общим свойствам ядерных реакций при низких энергиях сечение упругого рассеяния нейтрона является константной, не зависящей ни от углов, ни от энергией. Это сечение можно представить в виде

 

, (4.1)

 

где а - константа размерности длины, называемая длиной рассеяния или, что здесь то же самое, амплитудой рассеяния. Амплитуда а нерегулярно меняется при переходе от ядра к ядру и в среднем имеет один и тот же порядок величины ( см) для всех ядер - от самых легких до самых тяжелых. Существенно, однако, что эта амплитуда бывает как положительной, так и отрицательной.

Зависимость амплитуды рассеяния нейтрона от ориентации спина ядра и от изотопного состава приводит к тому, что кристалл отражает нейтроны в различных направлениях, а не только в тех, которые разрешены условием Брэгга-Вульфа. Это дополнительное отражение будет уже не когерентным, а диффузным.

Полное сечение рассеяния на N ядрах равно сумме сечений когерентного и некогерентного  рассеяний:

 

σ = + . (4.2)

 

При этом когерентное сечение определяется через квадрат суммы когерентных амплитуд

 

, (4.3)

 

а некогерентное - через сумму квадратов некогерентных амплитуд

 

. (4.4)

В интерференционных явлениях участвует только когерентная амплитуда. Некогерентная амплитуда создает диффузный фон, обычно лишь затрудняющий исследования.

При небольших энергиях (0.01 < Е < 100 эВ) для получения монохроматических нейтронов может использоваться дифракция нейтронов в кристалле. Зависимость энергии нейтрона от угла их отражения от поверхности кристалла φ определяется формулой Брэгга-Вульфа:

 

, (4.5)

 

где  - масса нейтрона, d - расстояние между соседними атомными плоскостями в кристалле,  - целое число (порядок спектра), h - постоянная Планка.

Нейтрон обладает магнитным моментом. Поэтому нейтронные волны могут рассеиваться на магнитных моментах атомов внутри вещества. Интенсивность этого процесса определяется амплитудой магнитного рассеяния нейтрона. Для магнитных веществ (Fe, Co и т. д.) магнитная и ядерная амплитуда рассеяния имеют одинаковый порядок. Если магнитные моменты атомов в веществе ориентированы хаотично, то магнитное рассеяние в когерентную амплитуду вклада, конечно, не даст. Но если магнитные моменты в веществе как-то упорядочены, то появляется когерентная магнитная амплитуда, создающая на нейтронограммах максимумы, положение которых определяется магнитной структурой вещества.

 

 

Заключение

 

Можно выделить основные закономерности взаимодействия нейтронов с веществом:

нейтроны взаимодействуют с атомными ядрами при упругом и неупругом рассеянии и в результате ядерных реакций;

сечение рассеяния медленных нейтронов

 

 ~ ;

 

сечение рассеяния быстрых нейтронов

 

 ~ ;

 

сечение рассеяния быстрых нейтронов

 

 ~ .

 

При стремлении энергии нейтрона к нулю сечение упругого рассеяния стремится к константе, а сечение радиационного захвата растет в соответствии с законом «l/v». Поэтому для очень медленных нейтронов возрастает не только абсолютная, но и относительная роль радиационного захвата.

В области густых резонансов интенсивности рассеяния и захвата определяются соответствующими ширинами Гп и Гγ. Поскольку для каждого ядра радиационная ширина Гγ примерно постоянна, а нейтронная ширина Гп растет с энергией, то для резонансных нейтронов преобладает радиационный захват, а для промежуточных - упругое рассеяние.

Для быстрых нейтронов упругое рассеяние по-прежнему играет важную роль. Кроме того, при повышении энергии нейтронов становятся возможными различные эндотермические процессы.

На использовании реакции деления основана работа ядерных реакторов, т. е. вся ядерная энергетика и многие другие отрасли ядерной промышленности.